Tecnia Vol 24 N°2

Vol. 24, N° 2 2014

PRESENTACION

La Revista TECNIA continua con su aporte al desarrollo de las investigaciones a nivel de ciencia e ingeniería, en esta oportunidad presenta trabajos relacionados a temas energéticos, de ingeniería, de arquitectura y de aprendizaje mostrando todos ellos un alto nivel de investigación. En el presente número es apreciado el trabajo de investigación sobre los textiles incas, tales como el tipo de hilo que empleaban, el punto de textura y el color, todo esto visto como expresiones arquitectónicos. También un grupo de investigadores han presentado un trabajo relacionado a un sistema de automatización aplicado a la determinación de tarifas óptimas para la generación electricidad a partir de residuos de Biomasa, demostrando que el principal potencial para generación de electricidad al sistema interconectado con la biomasa alternativa, se encuentra en los residuos del procesamiento de la caña de azúcar y arroz. Asimismo, hay temas de interés actual de la sociedad, por su posible impacto negativo, nos referimos a las radiaciones no ionizantes, en las cuales se observa la preocupación entre los operadores, frente al posible daño que pueda causar el uso de equipos que emiten radiaciones no ionizantes, al respecto no se ha logrado constatar daños a las personas, no obstante es necesario continuar con los trabajos de investigación a fin de disponer de conclusiones sustentables. Nuestro compromiso con la sociedad es divulgar investigaciones que puedan ser aplicadas en ella, en este sentido mostramos un tema de la actualidad, el cual está relacionado con la implementación de un sistema de tecnologías de comunicación inalámbrica, implementando sistemas prototipo de hardware, teniendo como función monitorear el funcionamiento sincronizado de la comunicación entre los módulos inalámbricos; de igual manera las investigaciones realizadas sobre sistemas de diodo laser pueden ser ventajosas si se aplican en mediciones de precisión de longitud y velocidad, comunicaciones ópticas, espectroscopia láser, entre muchas otras aplicaciones.

Dentro de lo que es el desarrollo energético y su automatización, se ha demostrado que se puede optimizar el funcionamiento de la red principal de transporte y de distribución de gas natural seco del proyecto Camisea I, minimizando el consumo de combustible de las estaciones compresoras en conjunto a través de un control adecuado de parámetros operativos. Igualmente se realizaron investigaciones mediante programas relacionado a los motores diésel Perkins, aplicando cálculos térmicos para evaluar este tipo de motores demostrando que se consigue el mayor suministro de GLP, cuando el motor funciona con bajas cargas y altas velocidades. Finalmente y en referencia a los temas de aprendizaje, se enfoca un método diferente de aprendizaje para el curso de simulación, requiriendo un repositorio para almacenar los datos, objetos de información y objetos de aprendizaje. Deseo expresar mi agradecimiento por el apoyo en conjunto que los investigadores vienen realizando para la publicación de la revista “TECNIA”, revista indizada en Latindex, la cual por la rigurosidad de su revisión por especialistas en la temática y que no presentan ninguna relación con los autores del trabajo, permite asegurar el alto nivel de la presente publicación. El Editor

DETERMINACIÓN DE TARIFAS ÓPTIMAS PARA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD AL SISTEMA

INTERCONECTADO A PARTIR DE RESIDUOS DE BIOMASA, UTILIZANDO EL SOFTWARE RETSCREEN Y APLICATIVOS

DEL PROYECTO BEFS RAPID APPRAISAL DE NACIONES UNIDAS PARA LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACIÓN

(FAO)

DETERMINATION OF OPTIMAL RATES FOR ELECTRICITY GENERATION IN- SYSTEM I TERCONECTADO FROM WASTE

BIOMASS, USING THE RETSCREEN SOFTWARE AND APPLICATIONS OF RAPID APPRAISAL BEFS PROJECT UN

FOOD AND AGRICULTURE (FAO)

Aldo Max Delgado Acevedo1, Henry García Bustamante2, Carlos Orbegozo Reto3, Roxana Orrego Moya4, María Aragón Palacios5

RESUMEN

El Perú cuenta con una extensión de 82‘369, 713 hectáreas de aptitud forestal, 7’600,000 con capacidad para los cultivos agrícolas y un potencial de biomasa para la producción de energía estimado en 272 millones de toneladas métricas anuales [2]. Para fines energéticos, existen cuatro categorías: plantaciones bioenergéticas, residuos agrícolas, bostas de ganado y residuos sólidos urbanos. La tecnología de gasificación sería la más conveniente para los fines del estudio. Evaluando el potencial teórico de generación eléctrica con biomasa que se pueda interconectar a la red, se obtuvo como resultado dos fuentes: arroz (Cajamarca, Lambayeque y Piura) y caña de azúcar (Lambayeque, Piura y Lima). Con el fin de proyectar la demanda, se tomó como guía el Plan Referencial de Electricidad 2008 - 2017. Los supuestos considerados son los siguientes: Escenario de Crecimiento Medio: Tasa de crecimiento Anual 7.55%; Escenario de Crecimiento Optimista: Tasa de crecimiento Anual 8.7%; Escenario de Crecimiento Conservador: Tasa de crecimiento Anual 6.36%. Para determinar el Potencial Energético por Regiones desagregado por proyectos, se utilizó el aplicativo FAO BEFS Rapid Apraisal y el software RETScreen. De los 17 proyectos analizados, las herramientas calcularon que solamente cuatro podrían ser parte de una cartera de proyectos viables: Agroindustria Paramonga, Agroindustria Caña Brava, Relleno Sanitario Huaycoloro y Gran Mercado Mayorista de Lima (Santa Anita). La principal barrera que se ha encontrado es que las tarifas tope que ha establecido el Gobierno en las últimas subastas de proyectos para generación con energías renovables, no llega siquiera a estar próxima a las tarifas optimas analizadas en este estudio. Palabras clave.- Energía renovable, Biomasa, Bioenergía, Proyectos de biomasa.

_________________________________________________________________________________________

1Ingeniero Químico, Docente Investigador en Energía de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima-Perú 2Experto en Bioenergía, Ingeniero Químico de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima-Perú, Green Energy. 3Ingeniero Físico de la Universidad de Bucarest (Rumania). Green Energy. 4Experta en Bioenergía, Ingeniero Geográfica. Green Energy. 5Experta en Eficiencia energética, Ingeniero Químico. Green Energy.

ABSTRACT

Peru has a surface of 82’369,713 hectares of forestry suitability, 7’600,000 hectares with agriculture farming capacity and a biomass potential for energy generation estimated in 272 million annual metric tons [2]. For energy generation scope, there are four categories: bioenergy crops, agriculture waste, livestock waste and urban solid waste. Gasification technology would be more convenient for the scope of the study. Assessing the theoretical potential of energy generation with biomass for grid connection, the result was the identification of two sources: Rice (Cajamarca, Lambayeque and Piura) and sugar cane (Lambayeque, Piura and Lima).With the aim to design the energy demand, the Electricity Referential Plan 2008 – 2017 was used as base document. The considered assumptions were the following: Medium growth scenario: Annual growth rate 7.55%; Optimist growth scenario: Annual growth rate 8.7%; Conservative growth scenario: Annual growth rate 6.36%. In order to determine the energy potential by regions disaggregated by projects, it was used the application FAO BEFS Rapid Appraisal and the software RETScreen. From the 17 analyzed projects, the tools calculated that only four could be part of a viable Project portfolio: Agroindustria Paramonga, Agroindustria Caña Brava, Huaycoloro Landfill and Gran Mercado Mayorista de Lima (Santa Anita). The main barrier found is that the top tariffs established by the Government in the last bids are even near to the optimum tariffs analyzed in this study. Key words.- Renewable energy, Biomass, Bioenergy, Biomass projects.

INTRODUCCIÓN

El propósito del estudio llevado a cabo por encargo de la Dirección General de Eficiencia Energética (DGEE) del Ministerio de Energía y Minas (MINEM) fue determinar el potencial energético del recurso biomasa en las regiones de Arequipa, Cajamarca, Piura, Lambayeque, Junín y Lima, y formular una cartera de proyectos a nivel de pre factibilidad, usando como base la viabilidad energética de la biomasa en dichas regiones, especialmente para la generación de energía eléctrica. Por su parte, el presente artículo muestra la metodología utilizada para determinar las tarifas óptimas que el gobierno central debería establecer para poder abastecer al sistema eléctrico interconectado (a través del mecanismo de subastas de generación con energías renovables no convencionales). Esta evaluación se realiza para una cartera de proyectos de generación eléctrica con biomasa identificados en las regiones de Lima, Arequipa, Piura, Lambayeque y Junín. Con el fin de realizar esta evaluación, se han utilizado herramientas informáticas para evaluar

tanto la cantidad de residuo de biomasa disponible para uso energético, así como las tecnologías de conversión de la biomasa en electricidad, tal como se explica a continuación. Metodología empleada para la determinación del portafolio de proyectos Para la evaluación de los proyectos de aprovechamiento en generación eléctrica de residuos de biomasa se empleó el siguiente procedimiento: a) En el caso de los proyectos referidos a

Ingenios Azucareros, Plantas Alcoholeras y Molinos de Arroz se utilizó la herramienta de FAO Agriculture Residues Tool [2] para la determinación de la Biomasa disponible para uso energético. La herramienta incorpora entre otros aspectos, factores de producción de residuos por unidad de producto para cultivos como la caña de azúcar, arroz, café, entre otros. Así mismo dispone de base de datos de Perú sobre producción de cultivos agrícolas, factores de conservación de residuos en el suelo para evitar la degradación de los suelos, entre otros.

Fig. 1 Herramienta “Agriculture Residues Component” FAO - BEFS RA. b) En el caso de residuos orgánicos provenientes

de mercados de abastos, haciendas ganaderas, avícolas, camales y rellenos sanitarios, se ha determinado la cantidad disponible utilizando el software RETScreen [1] el cual en su

pestaña Herramientas (Tools) tiene aplicaciones para determinación del biogás provenientes de este tipo de residuos considerando los datos meteorológicos de las locaciones evaluadas.

Fig. 2 Herramienta RETScreen (Aplicativo Biogás).

c) Determinado la oferta de energía anual disponible a partir de los residuos ya sea a través de las herramientas de FAO BEFS Rapid Appraisal o de los aplicativos incluidos en el software RETScreen (Biogás o Landfill gas tool), lo siguiente es seleccionar la tecnología que se va a utilizar para el aprovechamiento energético mediante el

software RETScreen. En el caso de los ingenios azucareros y plantas alcoholeras tomar en cuenta que se evaluaron dos casos. El primer caso referido al aprovechamiento de todo el bagazo disponible y el segundo caso referido al aprovechamiento del bagazo, follaje y topes. En este punto se evaluó las siguientes tecnologías, Tabla 1:

Tabla 1. Tecnologías consideradas.

d) Una vez seleccionada la tecnología para abastecer la demanda, se utilizó la data recogida de las visitas de campo o recabada mediante encuestas o en último caso accesible vía Internet para determinar la demanda anual ya sea de energía térmica o energía eléctrica.

e) Ya que se había estimado la demanda de energía por tipo de energía, la tecnología de abastecimiento y el recurso biomásico disponible para uso energético, se determina a través del software RETScreen, qué tanto la demanda interna es abastecida y si existen

excedentes a ser comercializados a la red de sistema interconectado.

f) Calculada la oferta de energía disponible, se realiza una evaluación técnico-económica, así como una evaluación financiera, de sensibilidad (seleccionadas las variables más importantes). Finalmente se realiza una evaluación de riesgo mediante el método Montecarlo.

Los resultados de las evaluaciones observarlo en la Tabla 2.

Suplir Demanda Térmica Suplir Demanda Eléctrica

Haciendas GanaderasCalderas de Vapor operando con

Biogas

Motor Reciprocante acoplado

con Biodigestor

Granjas Avicolas Hornos operando con biogasMotor Reciprocante acoplado

con Biodigestor

Mercados mayoristasCalderas de Vapor operando con

Biogas


con Biodigestor

Camales Calderas de Vapor operando con

Biogas


con Biodigestor

Molinos de ArrozCalderas de Vapor operando con

cascarilla de arroz

Turbina de Vapor acoplada con

la caldera

Agroindustria que procesa

esparragos

Calderas de Vapor operando con

Biogas


con Biodigestor

Ingenios Azucareros (Caso 1:

Aprovechamiento de Bagazo)

Calderas de Vapor Bagaceras

convencionales operando con

bagazo


la caldera

Ingenios Azucareros (Caso 2:

Aprovechamiento de Bagazo,

Follaje y Topes)

Calderas Bagaceras lecho

fluidizado operando con bagazo


la caldera

Plantas Alcoholeras (Caso 1:

Aprovechamiento de Bagazo)

Calderas de Vapor Bagaceras

convencionales operando con

bagazo


la caldera

Plantas Alcoholeras (Caso 2:

Aprovechamiento de Bagazo,

Follaje y Topes)

Calderas Bagaceras de Lecho

Fluidizado operando con bagazo


la caldera

TecnologíaTipo de Establecimiento

Tabla 2. Resultado de la evaluación del portafolio de proyectos.

Cantidad Rubro

Potencia

instalada

(kW)

Energía

Eléctrica

Generada

(MWh)

TIR (%) VAN (US$)

Periodo de

Recupero

(años)

Arequi pa Fundo America Fundo Ganadero 450 ca bezas de ga na do 47 370 1.80 - 78 185 23.50

Arequi paFundo Pampa

Ba jaFundo Ganadero 2000 ca bezas de ga na do 165 1301 1.30 - 316 176 13.60

Juni nAgroi ndustria del

Ma ntaro

Producci ón de

Conservas de

Esparragos

172800Ton de Espa rrago

Procesado220 1734 -3.90 - 393 434 13.10

Lamba yeque

Moli nos de Arroz

(corredor Chicla yo

- Lamba yeque)

Mol i enda de

arroz176017

Ton de ca scari l l a

de arroz7354 57982 9.30 130 136 6.80

Lamba yequeEmpresa Poma lca

(cas o 1)Ingenio Azuca rero 253776 Ba gazo disponible 6255 54789 15.30 1 773 475 6.80

Lamba yequeEmpresa Poma lca

(cas o 2)Ingenio Azuca rero 421342

Ba gazo, Fol l a je y

Topes disponibl es10356 90717 10.70 -1 682 867 11.80

Lamba yequeAgroi ndustria l

Puca la (caso 1)Ingenio Azuca rero 106320 Ba gazo disponible 6953 60907 19.90 4 176 662 5.70

Lamba yequeAgroi ndustria l

Puca la (caso 2)Ingenio Azuca rero 176522



Lima AvinkaAvi cola - cri anza

de aves1625000 Producción de Aves 800 7008 7.50 - 694 386 11.20

Lima Camal ConchucosCamal de

Animal es1053

Ton Res iduos

Organicos del

Camal

150 1249 20.00 27 980 10.00

Lima Petra ma sRel l eno Sa nitario

de Hua ycol loro1308832

Resdi uos Sol idos

Urba nos

procesa dos

5530 46624 20.90 1 692 946 4.60

LimaMercado de Sa nta

Anita

Mercado

Ma yori s ta14600

Res iduos sol idos

organicos320 2804 26.40 2 443 870 4.10

Lima

Agroi ndustria l

Paramonga (ca so

1)

Ingenio Azuca rero 253776 Ba gazo disponible 140160 145124 23.60 22 117 312 3.60

Lima

Agroi ndustria l

Paramonga (ca so

2)

Ingenio Azuca rero 421342Ba gazo, Fol l a je y


Pi ura Ma pl e Etha nol Pla nta Alcohol era 1300000Ton de ca ña

procesa da s15735 153054 14.90 9 015 297 5.20

Pi uraCaña Bra va (cas o

1)Pla nta Alcohol era 268171 Ba gazo disponible 15735 153054 27.80 9 928 733 4.80

Pi uraCaña Bra va (cas o

2)Pla nta Alcohol era 445243



ActividadInstituciónRegión

Indicadores FinancierosPotencial Anual de

Aprovechamiento de BiomasaElectricidad Generada

Los proyectos sombreados en naranja representan a los que cumplen con los criterios de rentabilidad utilizados. Estos son los siguientes: • Valor actual neto positivo • Periodo de recupero no mayor a 5 años • Tasa interna de retorno mayor al 9% (Tasa de

interés anual) • Razón beneficio / costo mayor a 1.

Tarifas mínimas para generación de electricidad con energías renovables requeridas para cubrir requisitos de rentabilidad a proyectos evaluados que no cumplen requisitos Para aquellos proyectos que en la evaluación realizada no cubren los requisitos de rentabilidad establecidos, se analizó cual era la tarifa mínima requerida para poder cumplir estos requisitos, ver Tabla 3.

Tabla 3. Tarifas requeridas para proyectos evaluados.

CONCLUSIONES

El principal potencial para generación de electricidad al sistema interconectado con biomasa alternativa, está centrado en los residuos del procesamiento de la caña de azúcar y del arroz. No

obstante hay que considerar en el caso de la caña de azúcar, el aprovechamiento del follaje y topes junto con el bagazo en el caso de generación de electricidad demanda una tarifa mayor que el empleo de tecnologías de tipo más convencionales como el acople caldera bagacera tradicional -

TIR (%) VAN (US$)

Periodo de

Recupero

(años)

Junin Agroindustria del Mantaro 203 25.10 343 986 5.00

Lima Avinka 220 33.50 3 361 436 5.00

Lima Camal Conchucos 430 36.30 550 636 5.00

Lima Paramonga (caso 2) 123 12.80 5 532 919 5.00

LambayequeMolinos de Arroz (corredor

Chiclayo - Lambayeque)128 24.70 8 072 418 5.00

Piura Caña Brava (caso 2) 188 25.40 49 154 688 5.00

Piura Maple Ethanol 111 15.70 11 353 856 5.00

Lambayeque Empresa Pomalca (caso 1) 148 29.20 9 037 232 5.00

Lambayeque Empresa Pomalca (caso 2) 235 53.40 42 398 594 5.00

Lambayeque Agroindustrial Pucala (caso 1) 118 25.70 7 186 459 5.00

Lambayeque Agroindustrial Pucala (caso 2) 190 29.10 22 242 173 5.00

Arequipa Fundo America 330 31.50 154 749 5.00

Arequipa Fundo Pampa Baja 270 58.40 1 199 172 5.00

Indicadores Financieros

Región Institución

Tarifa Requerida para

cumplir requisitos de

rentabilidad

(US$/Mwh)

turbina de vapor. La razón son el uso de las tecnologías involucradas dado que se requiere de calderas de lecho fluidizado con un costo alrededor del doble de una caldera bagacera tradicional, además de los equipos de cosecha mecanizada, carguío y transporte de los campos a los ingenios. En el caso de los residuos de arroz, la principal barrera que se tiene son los costos de acopio y transporte de la cascarilla a una planta de generación centralizada. No obstante, se ha encontrado una rentabilidad medianamente atractiva para una planta ubicada en el corredor Chiclayo-Lambayeque. La principal barrera que se ha encontrado es que las tarifas tope que ha establecido el gobierno en las últimas subastas de proyectos para generación con energías renovables, no llega siquiera a estar próxima a las tarifas optimas analizadas en este estudio. Luego, se entiende que esto haya sido un motivo para la muy limitada cantidad de proyectos de generación con biomasa que han participado en las convocatorias.

El aplicativo FAO BEFS Rapid Appraisal y el software RETScreen, han sido de mucha ayuda para llegar a los resultados y a las conclusiones antes mencionadas. Ambas herramientas pueden ser utilizadas por investigadores, docentes universitarios, estudiantes y cualquier otro usuario experto con conocimientos previos sobre energía de la biomasa, para calcular y sustentar en forma científica el análisis de cualquier proyecto de biomasa. Ambas herramientas poseen una gran gama de aplicaciones en este campo, por lo que se

recomienda su utilización a nivel académico.

AGRADECIMIENTO El equipo consultor agradece a la Dirección General de Eficiencia Energética (DGEE) en la persona de su Directora, la Eco. Iris Cárdenas Pino, y a su equipo técnico, por las confianza depositada en nuestro trabajo y las facilidades proporcionadas para el cabal cumplimiento del estudio antes mencionado.

REFERENCIAS 1. Software RETScreen: //www.retscreen.net 2. Aplicativo FAO BEFS Rapid Appraisal:

http ://www.fao.org/energy/befs/86187/es/ 3. García Bustamante, H., “Matriz Energética en

el Perú y las Energías Renovables. VII. Barreras para el Desarrollo de la Bioenergía”. Primera Edición. Fundación Friedrich Ebert (FES) en colaboración con Derecho, Ambiente y Recursos Naturales (DAR). Lima-Perú, 2013.

4. Soluciones Prácticas ITDG. “Opción para la Producción y uso de Biodiesel en el Perú”. Primera Edición. Lima-Perú, 2007.

5. BUN-CA. “Manuales sobre Energía Renovable: Biomasa”. Primera edición. San José, Costa Rica, 2002.

6. Sánchez Albavera, F., Orrego Moya, R., “Tablero de Comando para la Promoción de Biocombustibles en el Perú”. Naciones Unidas. Santiago de Chile 2007.

Correspondencia: [email protected] Recepción de documentos: Agosto 2014 Aceptación de documentos: octubre 2014

IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA BASADO EN MIPS32 PARA EL APRENDIZAJE DE TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS

IMPLEMENTATION OF A MIPS32 SYSTEM BASED LEARNING OF WIRELESS TECHNOLOGIES

José F. Oliden Martínez1, Vanessa J. Gamero Sobero2, Ricardo Yauri Rodriquez3

Sergio Salas Arriarán4, Rubén E. Acosta Jacinto5

RESUMEN

Actualmente la enseñanza relacionada con las tecnologías electrónicas de punta requiere acercar al alumno a sistemas cada vez más complejos como son las tecnologías de comunicaciones inalámbricas. Para conseguir este acercamiento se ha implementado un sistema prototipo hardware que incluye un procesador de arquitectura MIPS32 y módulos inalámbricos embebidos de tecnologías Wi-Fi, Bluetooth, GSM/GPRS, ZigBee y GPS. Cuya función principal es monitorear el funcionamiento sincronizado de la comunicación entre los módulos inalámbricos. Por otro lado se ha elaborado una aplicación o Interfaz Gráfica de Usuario-GUI programada en la plataforma QT Creator v2.3 de código abierto que sirve para ingresar o recibir comandos de configuración o de datos de los módulos inalámbricos. El método de acercamiento que tiene el alumno con el sistema se realiza través de un manual de laboratorio cuyo contenido tiene una metodología activa de aprendizaje que comprende motivación, adquisición, transferencia y evaluación del conocimiento. Palabras clave.- Wi-Fi, Bluetooth, GSM/GPRS, ZigBee, GPS, GUI.

ABSTRACT Currently teaching related electronic technologies requires students to bring increasingly complex technologies such as wireless communications systems. To achieve this approach we have implemented a prototype system hardware that includes a MIPS32 processor architecture and technologies embedded wireless modules Wi-Fi, Bluetooth, GSM / GPRS, ZigBee and GPS. Whose main function is to monitor the synchronized operation of the wireless communication between modules. On the other hand it has developed an application Graphical User Interface or GUI-programmed QT Creator v2.3 open source platform used to enter configuration commands or receive data or wireless modules. The method of approach that has the student with the system through a laboratory manual is made whose content has an active learning methodology comprising motivation, acquisition, transfer and evaluation of knowledge. Key words.- Wi-Fi, Bluetooth, GSM / GPRS, ZigBee, GPS, GUI.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad los equipos o dispositivos

electrónicos de comunicación utilizan redes inalámbricas para la transferencia de información y con la creación de nuevos procesadores cada vez

________________________________________________________________________________________ 1Ing. Docente de la Facultad de Ingeniería Mecánica, investigador del Centro de Tecnologías de Información y Comunicaciones de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2Instituto Nacional de Investigación y Capacitación de Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Ingeniería, 3Instituto Nacional de Investigación y Capacitación de Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Ingeniería, 4Docente en la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas 5Instituto Nacional de Investigación y Capacitación de Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Ingeniería.

más pequeños y rápidos en procesamiento pueden llegar a implementarse sistemas complejos de comunicación. Es decir, el avance tecnológico de fabricación de procesadores embebidos y la creación de nuevos estándares de tecnología inalámbrica podrá ayudar a crear redes con diversas capacidades de transmisión de datos y con mayor alcance sin mucha pérdida de datos. El sistema de aprendizaje que incluye hardware y software bajo una metodología activa ayudará a reforzar los protocolos de transmisión y recepción de datos utilizados en cada estándar de tecnología inalámbrica a los alumnos de carreras tecnológicas. Cabe destacar, que la arquitectura MIPS32 del

procesador de 32 bits usado juega un rol importante en el manejo de la distribución de tareas del sistema de control para las atenciones que debe de recibir por parte del software de aplicación, debido a que cada módulo inalámbrico embebido maneja para su transmisión y recepción de datos protocolo UART [1]. Arquitectura del sistema hardware El sistema hardware está formado por una unidad de control que incluye un microcontrolador de 32 bits PIC32MX795F512L, módulos externos inalámbricos como Wi-Fi, Bluetooth, GSM/GPRS, XBEE [4] y GPS, pantalla GLCD, un conjunto de 10 LEDS, un sensor de temperatura y dos relés, tal como se muestra en la Figura 1.

Fig. 1 Arquitectura del sistema de control. El microcontrolador PIC32MX675F512L [1] de La unidad de control tiene por función ejecutar el firmware del sistema operativo (S.O), controla la ejecución de tareas y monitorear eventos generados por interrupción de recepción de datos a través de los puertos de comunicación asíncrona UART, usados para las transferencia de datos con los módulos externos inalámbricos. El Microcontrolador distribuye sus puertos asíncronos seriales para la comunicación con los módulos externos inalámbricos de la siguiente manera: • Puerto UART1 seleccionado para la

comunicación con el módulo externo FTDI y

control de los periféricos externos como: Pantalla GLCD, LEDS, sensor de temperatura y relés.

• Puerto UART2 seleccionado para la comunicación con el módulo externo Bluetooth y para transferir datos hacia un equipo móvil o fijo que maneje dispositivo y driver Bluetooth.

• Puerto UART3 seleccionado para la comunicación con el módulo externo GPS y para recibir los datos de latitud, longitud, velocidad, hora y fecha emitida por satélites de posicionamiento.

• Puerto UART4 seleccionado para la comunicación con el módulo externo

GSM/GPRS y para transferir datos con un equipo móvil o Smartphone.

• Puerto UART5 seleccionado para la comunicación con el módulo externo Wi-Fi y para transferir datos con una PC dentro de una red.

• Puerto UART6 seleccionado para la comunicación con el módulo externo XBEE [3] (Modo coordinador) y para transferir datos hacia otro módulo XBEE configurado en modo Router o End device.

Los módulos externos inalámbricos son dispositivos que incluyen un procesador propio del fabricante y un circuito modulador-demodulador con portadora, que permiten la transmisión y recepción de datos en formato binario o de texto. Estos procesadores internos destinan un UART para la comunicación con cualquier dispositivo externo. La pantalla GLCD es un visualizador de caracteres ASCII que sirve para imprimir mensajes o caracteres enviados desde un dispositivo externo o de la propia Interfaz Gráfica de Usuario-GUI de evaluación del sistema. Un conjunto de 10 LEDS son usados para la presentación de valores numéricos o caracteres ASCII que son enviados desde la Interfaz Gráfica de Usuario o de otro dispositivo externo al módulo educativo. Un sensor de temperatura usado para sensar la temperatura ambiente cuyos valores son procesados y enviados hacia la Interfaz Gráfica de Usuario-GUI de evaluación. Un conjunto de dos relés son usados para poder realizar encender y apagar focos eléctricos. En la Figura 2 se muestra la distribución de los módulos externos inalámbricos en la tarjeta hardware del sistema.

Fig. 2 Tarjeta hardware del sistema prototipo del

módulo educativo.

En la Figura 3, se muestra una pantalla de la Interfaz Gráfica de usuario o software terminal de evaluación programada en plataforma QT Creator v2.3. Fig. 3 Software terminal del sistema prototipo

del módulo educativo. Máquina de estados del microcontrolador La máquina de estados empieza por un estado inicial donde se configura los recursos propios del microcontrolador y se inicializa las funciones de control del sistema. Luego se ingresa a un estado de espera que está representado por un bucle denominado Background Loop como programa principal asociado a rutinas de servicio de interrupción (Foreground). Los estados de transmisión por UART son aquellos que incluyen funciones para responder por comandos lo solicitado por la ventana de control de una tecnología inalámbrica de la Interfaz Gráfica de Usuario-GUI. Las rutinas de servicio de interrupción están configuradas para tener un nivel de prioridad de atención a los eventos por recepción serial de acuerdo a sus vectores de interrupción. El manejo de las llamadas “zonas críticas” y el tiempo de atención en cada rutina de servicio de interrupción son importantes debido a que la máquina de estados del programa principal sigue una secuencia que no puede ser interrumpida por mucho tiempo. Si en el caso que no hubiera una interrupción por recepción serial, el procesador del microcontrolador PIC32MX795F512L se encuentra en estado de espera. En la Figura 4 se muestra la máquina de estados del microcontrolador de 32 bits.

Fig. 4 Gráfico de la máquina de estados del microcontrolador.

PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN ENTRE

EL SOFTWARE TERMINAL Y LA TARJETA ELECTRÓNICA

En esta parte se describe las especificaciones e implementación del protocolo de comunicación entre el software y la tarjeta electrónica del sistema. Especificaciones de la transmisión Modo de transmisión.- Full-Duplex Velocidad de transmisión.- 9600 bps (para el caso del GPS es 4800bps).

Formato del byte.- Bits de inicio=1

Bits de datos=8 Bit de paridad= even Bits de parada=1 Formato del mensaje La transmisión de los mensajes consiste en tramas. El formato del mensaje es igual tanto del software como la tarjeta electrónica. Este formato se describe en la siguiente Tabla 1.

Tabla 1. Protocolo de comunicación.

PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

Campo Bytes valor Descripción Cabecera 1 FF Inicio de la trama

Tamaño 2 ??

Total de bytes de la trama desde la cabecera hasta el CRC

Periférico 1 ?? número del puerto USART Comando 1 ?? Comandos de control Dato x ?? Datos en formato ASCII CRC 4 ?? CRC-16 Kermit

De los campos mencionados se realizó la implementación del polinomio detector de errores CRC-CITT [1] de 16 bits representado por P��

x�� x� x� 1 en un algoritmo programado

en lenguaje C como una función denominada “CRC16_KERMIT”. Cabe resaltar que dicha función devuelve 4 bytes como resultado de su evaluación. A continuación se muestra la función que implementa el polinomio CRC-CITT.

unsigned int CRC16_KERMIT( unsigned int pre_crc, unsigned char crc_val ) { unsigned int crc16; unsigned char len; crc16 = pre_crc; crc16 = crc16 ^ crc_byte; for ( len = 0 ; len < 8 ; len++ ) { if ( ( crc16 & 0x0001 ) == 0x0001 ) crc16 = ( (crc16>>1) ^ 0x8408 ); else crc16 = crc16 >> 1; }

return crc16; }

MODELOS USADOS PARA EL DESARROLLO DEL SISTEMA

Para el desarrollo del prototipo del hardware y software del sistema se emplearon dos modelos. En la Figura 5 se muestra el modelo V de Paul E. Brook usado para la implementación del hardware.

Fig. 5 Modelo V de Paul E. Brook usado para la implementación del hardware. Por otro lado, el modelo cascada es usado para el desarrollo del software de la Interfaz Gráfica de

Usuario- GUI del Terminal de evaluación, tal como se muestra en la Figura 6.

Fig. 6 Modelo cascada, usado para la implementación del software del terminal de evaluación.

CONCLUSIONES En las pruebas realizadas del sistema desarrollado se observó que el alcance de los dispositivos inalámbricos podría mejorar si se incorpora antenas de mucho más prestaciones. Que las pruebas de demostración realizadas por una muestra de alumnos con conocimientos elementales de sistemas de transmisión por radiofrecuencia pudieron acoplarse y entender los objetivos de los estándares de comunicación de cada tecnología. La forma del diseño por hardware que agrupa a los módulos externos inalámbricos no genera ninguna interferencia entre ellos, pero en un futuro puede optimizarse menor si es el caso que se quisiera transmitir señales de audio. .

REFERENCIAS 1. Di Jasio, L., “Programming 32-bit

Microcontrollers in C Exploring the PIC32”, Oxford, Elsevier, 2008.

2. Dowla, F. U., “Handbook of RF and Wireless Technologies”, Elsevier, 2004.

3. Caprile, S. R. “EQUISBÍ: Desarrollo de aplicaciones con comunicación remota basadas en módulos Zig Bee y 802.15.4”, Gran Aldea Editores, Buenos Aires, 2009.

4. Fette, B., Aiello, R., Chandra, P., Dobkin, D. M., Bensky, A., Miron, D., Lide, D. A., Dowla. F., Ron Olexa., “RF & Wireless Technologies”, Elsevier, 2008.

Correspondencia: [email protected] Recepción de originales: agosto 2014 Aceptación de originales: noviembre 2014

SISTEMA DE DIODO LASER SINTONIZABLE EN FRECUENCIA PARA APLICACIONES EN LA ESPECTROSCOPIA

TUNABLE FREQUENCY DIODE LASER SYSTEM FOR

SPECTROSCOPY APPLICATIONS

Gabriel Altuna1, Ciro Carhuancho2, Reynaldo Reyes3

RESUMEN

En este trabajo, describimos un sistema simple y practico para controlar la operación de un diodo láser en una frecuencia específica mediante el uso de una cavidad óptica externa. Nosotros mostramos que para una corriente y temperatura fijas, el láser puede oscilar selectivamente en frecuencias diferentes controlando la longitud de la cavidad externa. Este sistema láser fue utilizado con éxito en un experimento de espectroscopia de absorción saturada en la línea D2 del cesio. Palabras clave.- Espectroscopía, Diodo laser, Cesio, Física atómica.

ABSTRACT In this work, we describe a practical and simple system to control the operation of a diode laser in a specific frequency using an external optical cavity. We show that fixing the current and temperature, the laser can oscillate selectively at different frequencies by controlling the longitude of the external cavity. This system laser was used with success in an experiment of absorption saturated spectroscopy at the line D2 of cesium. Key words.- Spectroscopy, Diode laser, Cesium, Atomic physics.

INTRODUCCION Mucho de la investigación en física atómica y molecular involucra la interacción de átomos y moléculas con la luz. Fuentes de luz láser que pueden ser sintonizados a una transición atómica particular son ahora una herramienta normal en la mayoría de los laboratorios de física atómica y molecular. Tradicionalmente estas fuentes de luz han sido los láser sintonizables de colorantes (dye laser). Sin embargo, los diodos láser de semiconductores han estado experimentando un crecimiento en eficiencia, potencia y rango de longitudes de onda disponibles, mientras experimentan un decrecimiento en costo. Por otro lado, la reciente mejora en la habilidad para

controlar la frecuencia de los diodos láser ha favorecido fuertemente el uso de estas fuentes de luz de bajo costo en varias aplicaciones [1]. En particular, los diodos láser han sido ampliamente empleados en espectroscopia atómica de alta resolución y enfriamiento óptico de átomos neutros [2,3]. Varias técnicas basadas en la realimentación óptica han sido utilizadas para controlar la emisión de estos láseres. Estas técnicas van desde el uso de cavidades tipo Fabry-Perot, redes de difracción, hasta el uso de reflectores simples [1]. Se puede hacer mención también de la técnica de inyección electrónica, en la cual la variación de frecuencia es detectada y corregida por medio de la re-alimentación en la corriente de inyección aplicada al diodo láser [4].

________________________________________________________________________________________ 1Bachiller en Física de la Facultad de Ciencias y Docente de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima-Perú. 2Licenciado en Física de la Facultad de Ciencias y Docente de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima-Perú. 3Doctor en Física por la Pontificia Universidad Católica de Rio de Janeiro, Brasil y Docente de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima-Perú.

En este caso se utiliza las técnicas de absorción saturada, de reflexión selectiva o de la mezcla de cuatro ondas como referencia para trabar la frecuencia de emisión de los láseres. Por otro lado, la frecuencia de la radiación emitida por el diodo láser depende tanto de la temperatura como de la corriente aplicada a la unión p-n [1]. Entonces se torna necesaria un control de la temperatura y corriente como un primer paso para obtener una emisión con frecuencia estabilizada. En este trabajo, describimos el sistema para estabilizar en temperatura y corriente al diodo láser y luego describimos un sistema simple de diodo láser que utiliza una cavidad externa larga (CEL) para sintonizar una frecuencia de emisión que coincida con aquella de una transición atómica. Utilizamos este sistema de diodo láser para realizar un experimento de espectroscopia de absorción saturada en un gas formado por átomos de cesio. DESARROLLO DEL SISTEMA DE DIODO

LASER

Estabilización en temperatura y corriente El primer paso para una buena estabilización de la operación del diodo láser es su montaje mecánico. El diodo láser debe ser fijado en una base de aluminio (o cobre) que servirá de soporte mecánico y también como reservorio térmico. Con la finalidad de obtener el control de temperatura del diodo láser, fue utilizado un circuito que emplea un sensor de temperatura en una red de realimentación que regula la potencia liberada por un elemento refrigerador/calentador tipo Peltier [5] El funcionamiento del circuito electrónico utilizado para estabilizar la temperatura esta esquematizado en la Fig. 1.

Fig. 1 Diagrama de bloques del circuito

eletronico para la estabilização de la temperatura del diodo laser.

La función del Sensor Selector es realizada mediante un circuito con un puente de Wheatstone, como esquematizado en la Fig. 2, donde R1 y R2 son resistencias de precisión (1%) y tienen el mismo valor. Rt es un termistor (NTC), cuya resistencia es función de la temperatura. Este componente tiene la función de sondear la temperatura de la base donde está montado el diodo láser. El selector RS es una resistencia variable (un potenciómetro de precisión), con el cual se puede escoger un determinado valor para la resistencia RS y, consecuentemente, un valor para la temperatura en que se desea operar. Fig. 2 Esquema del puente de Wheatstone

utilizado como sensor/selector.

SENSOR SELECTOR

AMPLIFICADOR

ELEMENTO TÉRMICO

POTENCIA

DIODO LASER P. I. D.

a

b

Vcc

Rt R1

R2 RS

En la situación en que los valores de RS y Rt son iguales, el puente esta en equilibrio y la diferencia de potencial (ddp) entre los terminales a y b será nula. Cuando se cambia el valor de RS, o si cambia la temperatura, lo que implica un variación en Rt, el puente sale del equilibrio (RS ≠ Rt); surge entonces una ddp entre los puntos a y b. Esta ddp es la llamada tensión de error (Ve) y será mayor cuanto mayor fuera la diferencia entre los valores de RS y Rt. Por tanto Ve indica cual es la diferencia de temperatura entre la base de montaje del diodo láser y la temperatura seleccionada. Así, este circuito funciona como un conversor temperatura/tensión. La tensión de error traduce las fluctuaciones en torno del punto de equilibrio deseado. El circuito amplificador es responsable por la amplificación de la señal de error, pues el mismo es de orden de algunos milivoltios y, por lo tanto, muy bajo para excitar los circuitos posteriores. Este circuito es constituido simplemente por un amplificador operacional en la configuración de amplificador diferencial, seguido por un “buffer”. El diagrama simplificado de este circuito es mostrado en la Fig. 3. La tensión de salida (Ve) tendrá su polaridad en función de la señal de error que es aplicado a los puntos a’ y b’. Cuando la tensión aplicada al terminal inversor (punto a’) fuera mayor que la tensión aplicada al terminal no–inversor (punto b’), la tensión de salida del primer estado (punto c’) será negativa, caso contrario la tensión de salida será positiva. El “buffer” es un operador operacional, instalado en una configuración de amplificador inversor con ganancia unitaria. Este circuito tiene la función de aislar el circuito amplificador del próximo estagio.

Fig. 3 Circuito simplificado del amplificador.

El circuito proporcional integrador diferenciador (P.I.D.) es responsable por las acciones correctivas en la señal de error amplificado. Para una rápida explicación de sus funciones, utilizaremos el diagrama de bloques representado en la Fig. 4.

El circuito Proporcional es un circuito amplificador cuya salida varia en una relación lineal con la señal de entrada, multiplicada por una constante que es un factor de amplificación, conforme la Ec. (1). Por un ajuste de un potenciómetro (P3) este factor puede ser alterado.

eS VPV 3= (1)

Fig. 4 Diagrama de bloques del circuito PID. En el circuito Integrador, la salida es la integral a lo largo del tiempo de la señal de entrada, multiplicada por una constante de proporcionalidad, que es la ganancia de integración. Esta ganancia es función de los valores de los condensadores y resistencias asociadas al circuito y puede ser ajustado por un potenciómetro (P2), conforme la Ec. (2). Este circuito es conocido también como filtro pasa baja.

∫−=t

eS dttVCP

tV0

22

)(1

)( (2)

El Diferenciador o filtro pasa alta, proporciona una señal de salida que es proporcional a la tasa de variación de la señal presente en su entrada, en este caso, la señal de error. Su respuesta obedece a la Ec. (3):

dt

dVCPV e

S 84−= (3)

El Sumador es un circuito que realiza la suma de los tres resultados presentados en las líneas anteriores, teniendo en su salida una señal de corrección del error. Esta señal es transmitida al modulo de potencia. El circuito de Potencia tiene como función proporcionar la corriente necesaria, en función de la señal de error corregido, al

Ve a’

b’ +

+

- -

Proporcional

Integrador Sumador Ve

Derivador

Elemento Térmico, o sea, al dispositivo responsable por el calentamiento o enfriamiento de la base de montaje del diodo láser. En el presente montaje, este dispositivo térmico es un elemento “Peltier”. El “ Peltier” es un dispositivo semiconductor que es capaz de regular el flujo de calor que fluye entre sus dos caras. Este control es función de la corriente y de la tensión aplicada a sus terminales y, de acuerdo con la polaridad de esta tensión, es posible calentar o enfriar una cara en relación a la otra. Finalmente, en lo que respecta a la estabilización de la temperatura, el montaje mecánico que sirve de soporte al diodo láser también es muy importante para la estabilización de la temperatura. El diodo láser es montado en un pequeño soporte metálico, cuya base debe estar en contacto térmico con el “Peltier”. La otra cara del “Peltier” también precisa ser colocada en contacto térmico con un bloque metálico (aluminio o cobre) que sirve como reservorio de calor. Como la función del “Peltier” es transferir calor de una de sus caras para la otra, este reservorio debe poseer una masa adecuada, lo que es necesario para que exista un buen intercambio de calor. En lo que se refiere al control de la corriente, se tiene que la estabilización de la corriente aplicada al diodo láser es de suma importancia para tener una buena estabilización de la frecuencia de la radiación emitida [1]. Por lo tanto, las fuentes de corriente utilizadas deben poseer una alta relación señal/ruido y protección contra fluctuaciones bruscas que pueden comprometer el funcionamiento del diodo láser. El circuito de estabilización de corriente funciona basado en la comparación de una tensión de referencia. Una variación de tensión producida por la corriente de una resistencia sensor, que esta en serie con la carga, es entonces corregida para su nivel de referencia. En la Fig. 5 se muestra la disposición de los sistemas de estabilización de temperatura y corriente conectados al diodo láser. El circuito de estabilización de temperatura funciona alimentado por una fuente de 12 VDC

para los componentes activos del circuito y una fuente de corriente para el “Peltier”. La temperatura del diodo láser es monitoreada por medio de un termistor NTC conectado a un multimetro. Fig. 5 Disposicion del sistema de diodo laser

estabilizado en temperatura y corriente. La temperatura directa es en Ohmios y con ayuda de un grafico de calibración se obtiene la temperatura en grados centígrados. El circuito estabilizador de corriente es alimentado por una batería química de 12 V, del tipo utilizado en los automóviles, para una mayor estabilidad de corriente del diodo láser y para eliminar la frecuencia de 60 Hz de la red eléctrica Sintonización de la frecuencia por realimentación óptica En la Fig. 6 se muestra el sistema de diodo láser que utiliza la técnica de realimentación óptica mediante una cavidad externa larga (CEL) para controlar el ancho de línea y la frecuencia de emisión [1, 6 y 7].

Emision Láser

Sistema del Diodo Láser

Fuente de Control de Corriente Temperatura del Láser

Laser

Fuente de Corriente

Fuente de 12 V

Bateria 12 V

Lectura Corriente del Diodo Láser

Lectura Temperatura del Diodo Láser

Fig. 6 Sistema de diodo laser con realimentacion

optica. H, V, tornillos de ajuste horizontal y vertical.

La cavidad externa es formada por una simple lámina de vidrio con faces paralelas, tipo lamina de microscopio, que refleja aproximadamente el 5 % de la potencia del haz incidente al láser. La lamina de vidrio esta situada a ∼5 cm do diodo láser. El sistema consta de un bloque de aluminio que es utilizado como soporte mecánico y como reservorio térmico. El diodo láser esta montado sobre el dispositivo “Peltier”, con el cual se estabiliza la temperatura del diodo. La lamina de vidrio esta montada en un soporte que tiene tornillos micrométricos para los alineamientos vertical y horizontal. Para un ajuste mas fino de la distancia de la cavidad externa fue utilizado un disco transductor piezoeléctrico (PZT). El disco PZT es conectado a una fuente de poder DC para proveer el desplazamiento necesario en la estructura de modos de la cavidad externa, llevando así a la selección de un modo deseado del láser. Para proteger el láser de corrientes de aire y consecuentes variaciones en la temperatura, el sistema esta encerrado dentro de una caja acrílica transparente. El sistema láser CEL se puede describir como una cavidad láser efectivo con las caras de salida teniendo una reflectividad modulada [6]. Si denotamos las reflectividades de la cara de salida del láser y de la lámina de vidrio por R0 y R, respectivamente, en el límite de

RR <<0 , la reflectividad efectiva de la cara de salida del láser puede ser escrita como [8]:

−+=

λπL

RR

RRRef

4cos

)1(21

0

00 (4)

donde L es la longitud óptica de la cavidad externa formada por la cara de salida del láser y la lámina, y λ es la longitud de onda oscilante. De la Ec. (4) vemos que las perdidas de la cavidad son periódicamente modulados con un periodo dado por rango espectral libre de la cavidad externa, i.e., ΔλCE= λ2/2L. El modo oscilante es elegido haciendo que un modo de la CEL coincida con un modo de la cavidad original del diodo láser; estos modos son separados por ΔλL= λ2/2l, donde l es la longitud óptica efectiva de la cavidad original del láser. Sin embargo, debido a que para la CEL nosotros tenemos ΔλCE<<ΔλL, entonces para tener solo un modo del láser en coincidencia con un modo de la CEL dentro de la curva de ganancia, se debe satisfacer la condición ΔλL/ΔλCE=L/l.p/q, donde p y q son enteros. Bajo esta condición, un cambio en la longitud de la cavidad externa de δL=Lδλ/λ=ελ/2, donde el parámetro ε (0<ε<1) determina el próximo modo del láser que es mas cercano al otro modo de la CE, hará a la frecuencia del láser saltar a este modo [6].

RESULTADOS EXPERIMENTALES El sistema de diodo láser descrito anteriormente es aplicado a un experimento de espectroscopia de absorción saturada [2], con un diodo láser modelo SDL-5401-G1, emitiendo con una longitud de onda nominal en torno de 853 nm. La disposición utilizada para realizar el experimento es descrito en las referencias [2,7,9]; el haz del láser es dividido en dos haces, uno de los cuales es usado como un relativamente intenso haz de bombeo y el otro es usado como un haz débil de prueba. El haz de bombeo es colimado y aplicado a la celda de Cs con un diámetro relativamente grande para saturar la absorción en una región grande de la celda. El haz de prueba con un pequeño diámetro es aplicado a la celda desde el lado opuesto al haz de bombeo. Cuando la frecuencia del láser es barrido en torno de la línea D2 del Cs mediante la variación de la longitud de la cavidad óptica externa con el PZT, espectros angostos libres del efecto Doppler pueden ser observados sobre un fondo ensanchado por efecto Doppler en la señal de absorción del haz de prueba (Fig. 7).

Haz Láser

Bloque de Alumínio

H

V

Diodo Láser PZT

Lente

Lámina de Vidrio

100 MHz

4-5

C4-5

C3-54-4

C3-44-3

Inte

nsid

ad (

u.a.

)

Frecuencia

Fig. 7 Espectro de absorción saturada de la línea

D2 del cesio, obtenido utilizando el sistema de diodo láser CEL.

La celda conteniendo los átomos del cesio 133 estaba a una temperatura de 20oC, siendo así su densidad de ∼2x1010 átomos/cm3. El haz del láser fue sintonizado usando la CEL en una frecuencia próxima a la línea D2 del cesio (λ=852.1 nm), con la transición de resonancia 6S1/2→6P3/2. El estado fundamental 6S1/2 consiste de estados hiperfinos con F=3 y 4; el estado 6P3/2 consiste de cuatro estados hiperfinos con F´=2,3,4 y 5. El ancho de línea natural es ∼5.3 MHz y el ancho Doppler es ∼400 MHz en 20oC. La separación hiperfina de 9.1 GHz en el estado fundamental es mucho mayor que el ancho Doppler de la línea de absorción, así que las líneas de absorción de los estados hiperfinos con F=3 y 4 en el estado fundamental son bien separadas. En la Fig. 7 se muestra el espectro de absorción saturada obtenido utilizando el sistema de diodo láser CEL, considerando las transiciones a partir del estado hiperfino fundamental F= 4. Cuando la frecuencia del láser es barrida sobre la línea de absorción del estado hiperfino fundamental F= 4, seis resonancias libres del efecto Doppler aparecen sobre un fondo de una señal de absorción con ancho Doppler: tres depresiones (dips) de Lamb [2,9] correspondientes a las transiciones F=4→F´= 3, 4 y 5, y tres resonancias de cruzamiento (crossover resonances) C3-4, C3-5, C4-5 [2,7]. Estos resultados están en concordancia con lo reportado en la literatura [9 y 10], lo cual indica que el sistema de diodo láser descrito presenta un buen desempeño.

CONCLUSIONES

En este trabajo, hemos reportado sobre la sintonización y la estabilización de la frecuencia de oscilación de un diodo láser. Se ha descrito la estabilización en temperatura y corriente del sistema, lo que permitía luego la sintonización de frecuencia a la línea D2 del cesio mediante el uso de una cavidad externa larga (CEL). Para demostrar el funcionamiento efectivo de este sistema de diodo láser, fue realizado un experimento de espectroscopia de absorción saturada, con resultados similares a lo reportado en la literatura. Este hecho muestra la factibilidad de construir un sistema óptico pequeño, estabilizado en corriente y temperatura, sintonizable en frecuencia, con un costo relativamente bajo. Este sistema de diodo láser puede ser útil para aplicaciones en mediciones de precisión de longitud y velocidad, comunicaciones ópticas, espectroscopia láser, fuente de luz para el bombeo hiperfino en un reloj atómico, espectroscopia de reflexión selectiva [7], enfriamiento de átomos por métodos ópticos, entre otras aplicaciones [1,11].

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a los Profesores Marcos Oriá y Martine Chevrollier del Laboratorio de Física Atómica y Láser, Universidade Federal da Paraíba, Brasil, por el apoyo y colaboración. También agradecen al IGI-UNI. Uno de los autores (R.R.) agradece el apoyo brindado por el Consejo Nacional de Pesquisas (CNPq) de Brasil.

REFERENCIAS 1. C. Weiman, L. Hollberg, “Using diode

lasers for atomic physics”, Rev. Sci. Instrum. 62, 1-20 (1991).

2. W. Demtroder, “Laser spectroscopy”, Springer (1996).

3. D. Sesko, C.G. Fan, C. E. Weiman, “Production of a cold atomic vapor using diode-laser cooling”, J. Opt. Soc. Am. B 5, 1225-1227 (1988).

4. Y. Shevy, H. Deng, “Diode laser with injection current”, Optics Letter 23, 472-475 (1998).

5. H. N. de Freitas, “Espectroscopia por mistura de quatro ondas em vapor de

rubidio”, Tesis de Maestria, Universidade Federal da Paraiba, Brasil (1996).

6. L. Viana, S.S. Vianna, M. Oria, J.W.R. Tabosa, “Diode laser mode selection using a long external cavity”, Appl. Optics 35, 368-371 (1996).

7. R. Reyes, “Espectroscopia de reflexao seletiva em uma interface dieletrico-vapor atomico de cesio”, Tesis de Maestria, Universidade Federal da Paraiba, Brasil (1999).

8. A. Olsson, C.L. Tang, “Coherent optical interference effects in external-cavity semiconductor lasers”, IEEE J. Quantum Electron. QE-17, 1320-1323 (1981).

9. H. Hori, Y. Kitayama, M. Kitano, T. Yabuzaki, T. Ogawa, “Frequency stabilization of GaAlAs laser using a

Doppler-free spectrum of the Cs-D2 line”, IEEE J. Quantum Electron. QE-19, 169-174 (1983).

10. A.M. Akulshin, V.L. Velichanski, A.S. Zibrov, V.V. Nikitin, V.A. Sautenkov, G.G. Kharisov, “Stabilization of the frequency of a highly coherent injection laser using intra-Doppler saturated absorption resonances”, Sov. J. Quantum Electron. 18, 1214-1215 (1988).

11. R. Reyes, “Fundamentos de la interacción átomo-luz de laser”, ISBN 978-9972-33-772-7 (1999).

Correspondencia: [email protected] Recepción de originales: setiembre 2014 Aceptación de originales: diciembre 2014

APLICACIÓN DE UN PROGRAMA DE CÁLCULO TÉRMICO PARA COMPROBAR EL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DIESEL

PERKINS MODELO C4.236.V - GASODIESEL MEDIANTE ANÁLISIS COMPARATIVO

APPLICATION OF THERMAL CALCULATION PROGRAM TO

CHECK THE OPERATION OF A MOTOR PERKINS DIESEL MODEL C4.236.V - COMPARATIVE ANALYSIS BY GASODIESEL

Maza Rubina Arturo 1, Lastra Espinoza Luis 2

RESUMEN

Este trabajo de investigación, se realizó en la ciudad de Lima y trata, sobre el desarrollo y aplicación de un programa en base al cálculo térmico; para determinar los parámetros de funcionamiento del motor de combustión interna de uso automotriz mediante la simulación de los distintos procesos que tienen lugar en los motores, los cuales permiten establecer los índices previsibles del ciclo de funcionamiento de un motor de combustión interna de tipo gasodiesel (GLP+D2). El desenvolvimiento del cálculo térmico, con respecto al comportamiento del motor trabajando como gasodiesel, es validado y contrastado con los valores experimentales, mediante un análisis comparativo de las características del motor Diesel Perkins, obtenidas en el banco de pruebas Newage y las características del motor simuladas; mediante el programa computacional AJESA 2004, luego se realiza la contrastación de cada subhipótesis permitiendo así la formulación de conclusiones. Palabras clave.- Gasodiesel, Cálculo térmico, Simulación, Banco de pruebas, Ajesa 2004, Newage, Válvula RND, Características de velocidad, Características de carga, Análisis comparativo.

ABSTRACT

This research was conducted in Lima and is on the development and implementation of a program based on thermal calculation; to determine the operating parameters of an internal combustion engine for automotive use, by simulating various processes occurring in engines, which allow to establish the expected rate of the operating cycle of an internal combustion engine of gasodiesel type (GLP + D2). The development of the thermal calculation, based on the behavior of the engine working as gasodiesel, is validated and contrasted with the experimental values, through a comparative analysis of the characteristics of the diesel engine Perkins, obtained in the test Newage and simulated characteristics of the engine; by the computer program AJESA 2004, finally each sub-hypothesis is tested and this allows us to formulate conclusions. Key words.- Gasodiesel, Thermal calculation, Simulation, Testing bench, Ajesa 2004, Newage, RND valve, Speed characteristics, Load characteristics, Comparative analysis.

_________________________________________________________________________________________

1Tesista egresado de la Escuela de postgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2Phd. Docente principal e investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería.

INTRODUCCIÓN En la actualidad existe dificultad en talleres y centros de servicio automotriz para poder determinar los parámetros de funcionamiento de un motor de combustión interna, ya que la gran mayoría de estos no cuentan con un banco de pruebas dentro de sus instalaciones, en ese sentido proponemos la elaboración de un software en base al cálculo térmico para poder determinarlos y predecir el funcionamiento de un MCI- Diesel Perkins, modelo CV246 gasodiesel (GLP+D2) y esto nos va a permitir, desarrollar una metodología que permita caracterizar un motor diésel a partir de los datos del catálogo del fabricante y luego estudiar los parámetros fundamentales de los motores gasodiesel, sus procesos de trabajo, y sus características. El objetivo general del trabajo de investigación es determinar el funcionamiento de un motor de combustión interna Diesel Perkins CV146 gasodiesel utilizando un programa computacional basado en el cálculo térmico; sin utilizar un banco de pruebas y comprobarlos mediante un análisis comparativo de las curvas características. Para lo cual vamos a elaborar y desarrollar un programa computacional (software), para simular, visualizar y programar equipos o instalaciones costosas, que permitan mejorar el proceso de investigación, hacer posible el ensayo de motores no disponibles en el laboratorio y posibilitar el ensayo "personal" y eliminar las limitaciones de tiempo de ensayo a pie de máquina, determinar las ventajas del uso del sistema GLP-Diesel-RND, mediante la realización de un análisis comparativo entre los datos teóricos obtenidos luego de la aplicación del programa de cómputo en Visual Fox Pro AJESA 2004, con los datos experimentales del funcionamiento del motor gasodiesel, y observar las mejoras que se producen. CÁLCULO TÉRMICO MEDIANTE MODELO MATEMÁTICO DEL MOTOR DIESEL PERKINS SOBREALIMENTADO USANDO GLP+D2 Definición Se llama cálculo térmico; a la determinación de los parámetros de los procesos del ciclo del

motor, es decir, es la simulación matemática de la operación del motor mediante cálculo. El cálculo térmico permite, también, determinar las dimensiones principales del motor. Para realizar el cálculo térmico se requiere conocer:

• Los datos técnicos del motor, proporcionados por el fabricante.

• Las condiciones ambientales a las que operará, se tomará como base normas para establecer la presión y temperatura (según la norma británica BS AV 14 1971, Po= 0,1 MPa y T0 =20°C.

Cálculo térmico de un motor a gas de encendido por compresión de cuatro tiempos

Finalidad.- El cálculo térmico de los motores a gas tiene la finalidad de determinar analíticamente los parámetros energéticos del motor.

En la metodología propuesta, los cálculos corresponden al régimen nominal de velocidad del motor y a plena carga, es decir, el régimen donde la cremallera de la bomba está en su posición de suministro máximo.

Cálculo térmico de un motor gasodiesel

Para el cálculo térmico se plantea las siguientes condiciones:

a) El motor será de formación interna de la mezcla GLP+D2, en diferentes proporciones.

b) El combustible gaseoso empleado es el gas licuado de petróleo, en mezcla con el petróleo diesel 2.

c) Se mantiene la relación de compresión del motor original.

d) El cálculo térmico se realizará para el régimen nominal del motor.

e) Para el ingreso del GLP se utilizará la válvula RND.

Tabla 1. Datos técnicos del motor Diesel.

Datos Técnicos del Motor Diesel

Valores

Marca PERKINS

Modelo C4.236.V

Número de tiempos 4

Relación de comprensión 16

Potencia del motor NE(kW) 61

Cilindrada total Vh (litros) 3,86

Carrera de pistón S(mm) 127

Diámetro de pistón D (mm) 98,43

Frecuencia de rotación del eje cigüeñal n (rpm)

2800

Número de cilindros z 4

Consumo específico efectivo de combustible ge (kg/kW-h)

-

Velocidad media del pistón vp, (m/s)

-

Diámetro de la garganta de la válvula de admisión Ds. (m)

0,041

Alzada de válvula, longitud por resorte exterior

0,0178

Longitud de biela l (m) 0,2191

Tipo de cámara de Combustión

Inyección directa

Radio de la manivela R, (mm)

63,5

Tabla 2. Datos de partida para el cálculo térmico.

Datos de Partida para el Cálculo Térmico

Valores

Combustibles empleados: • GLP, compuesto de % de volumen

− C4H10

− C3H8

− N2 − Densidad de GLP p gas, kg/m3

50 50 0

559

• Petróleo diésel compuesto de, en % de masa - C - H - O - S - W

Densidad pdiesel, kg/m3

Cantidad de combustible diésel empleado en la mezcla en el régimen nominal en (%) Cantidad de combustible GLP empleado en la mezcla en el régimen nominal en (%)

0,870 0,126 0,004 0,005

0,00005 862 60

40

Condiciones ambientales • Presión atmosférica po, MPa • Temperatura atmosférica To, K

0,1033 293,00

Condiciones de intercambio de gases • Presión de los gases residuales pr, MPa • Temperatura de los gases residuales Tr,

K • Calentamiento de la carga ΔT, K

0,112 760

10

Condiciones de la formación de la mezcla • Coeficiente de exceso de aire en el

régimen nominal

1,8

Condiciones de los procesos de compresión, expansión y combustión • Índice politrópico de compresión n1=

(1,33 ÷ 1,37)

• Índice politrópico de expansión n2=

(1,20 ÷ 1,27) • Coeficiente de aprovechamiento de

calor en el punto z del diagrama indicado ξz

1,332

1,192

0,87

Condiciones de los parámetros indicados • Coeficiente de plenitud del diagrama

indicado φd

0,96

• Coeficiente de exceso de aire ᵅ 1,8

• TTk

1,15

Instalación del programa de cálculo térmico “AJESA2004” Para proceder a la instalación del programa, seguir los pasos que a continuación se indican: Contar con el CD de instalación el cual debe contar con los siguientes archivos o carpetas.

Al abrir la carpeta Willitus encontraremos lo siguiente.

Al abrir la carpeta instalador verificamos que contengan los siguientes archivos

Copiamos esta carpeta denominada instalador en el disco C, o en el disco que esté trabajando, luego procedemos a la instalación haciendo doble clic o presionando enter en el icono de color verde denominado instalador, y veremos lo siguiente.

Inmediatamente aparecerá la siguiente pantalla.

Presionamos la tecla enter en el cuadro continuar y aparecerá el siguiente recuadro.

Colocamos el nombre del usuario y el nombre de la Organización y hacemos click en aceptar. Una vez confirmada la información aparecerá el siguiente recuadro.

Una vez confirmado los datos hacemos click en aceptar y se completara la instalación presionando enter en aceptar o haciendo clic en el mismo.

Aparecerá el cuadro donde se muestra el icono de un monitor el cual hay que presionar para culminar con la copia de los archivos al sistema.

Sigue el proceso de copia de archivos en la carpeta correspondiente.

Una vez culminada la instalación con la copia de archivos, inmediatamente aparece en la pantalla la siguiente configuración con lo cual se ve que el programa se ha instalado convenientemente y estamos listos para trabajar.

NOTA.- Culminado el proceso de instalación y con el programa ya en el sistema, para poder trabajar con mayor comodidad y ejecutar el programa es necesario realizar el siguiente paso final. Ingresamos a la segunda carpeta denominada MOTORES mostrada en el paso 1. Abrimos haciendo doble clic y verificamos la existencia del icono siguiente.

Este icono hay que enviarlo al acceso directo, para lo cual hacemos click con el botón derecho del mouse y lo enviamos al acceso directo. De esta manera podemos trabajar e ingresar al programa directamente desde el escritorio. Así queda instalado el programa de cálculo térmico, denominado AJESA2004., y listo para su ejecución. Fórmulas empleadas para la determinación de las características de velocidad - ambiente visual FoxPro

TENER EN CUENTA LAS DOS VELOCIDADES 2800 Y 2250 RPM ctei= (Nen/efmn)*alfan/(efivoln*2250*efin) ctei=(Nen/efmn)*alfan/(efivoln*2800*efin) efalfa= (0.1507+0.8397*alfa-0.1828*alfa^2)*eta ctefi = efin/(0.1507+0.8397*alfan-0.1828*alfan^2) efi = ctefi*efalfa Ni = ctei*efivol*efi*(n/alfa) pii = 120*Ni/(Vh*n) pmn = 0.1691 TENER EN CUENTA LAS RPM 2250 Y 2800 pm = pmn * (n/2800)^2.0 Nm = Vh * pm * n/120 Ne = Ni - Nm Pe = Pii - Pm gi = 3600/(HUCM*efi) efm = Ne/Ni efe = efm*efi ge= gi/efm Gc = ge*Ne*0.001 Me = Ne*30/(pi ( )*n) gcc = Gc * 1000000/(30*n*4) Ga = alfa*kairt*Gc

Fórmulas empleadas para la determinación de las características de carga- ambiente visual FoxPro Ne = Net*f deltane=Ne/Ned*100 ctem=Net*(1/efmt-1)/nt^2 Nm = ctem*n^2 ctei=(Net/efmt)*alfat/(0.1507+0.8397*alfat-0.1828*alfat^2) enalfa = (Ne+Nm)/ctei alfa=4.6 - 4.73*enalfa efalfa=0.1507+0.8397*alfa-0.1828*alfa^2 ctefi = efit/(0.1507+0.8397*alfat-0.1828*alfat^2) efi = ctefi*efalfa Ni=ctei*enalfa gi = 3600/(HUCM*efi) efm = 1/(1+Nm/Ne) efe = efm*efi ge = gi/efm Gc = ge*Ne*0.001 gcc = Gc * 1000000/(30*n*4) Ga = alfa*kairt*Gc Me = Ne*30/(pi ( )*n) Validación del programa para un motor Diesel Perkins sobrealimentado presentación de resultados de la simulación mediante ajesa 2004 usando 100% petróleo Diesel 2, alternativa “G” Ingreso de datos de partida Según el procedimiento seguido por el programa, al ejecutar AJESA 10 en primer término se toma en cuenta el ingreso de los datos de partida, de acuerdo a la siguiente secuencia: INDICAR SI YA INGRESO LOS DATOS INICIALES DEL MOTOR DIESEL PERKINS SOBREALIMENTADO, en caso que la respuesta sea SI, el programa considera los datos incluidos en él, para su ejecución, todas las condiciones establecidas para el motor del BANCO NEWAGE. En caso de que la respuesta sea “NO”, inmediatamente el programa nos indica ingresar los datos de la Tabla 3: Seguidamente el programa pregunta: A QUE CONDICIONES ATMOSFÉRICAS VA A TRABAJAR EL MOTOR AHORA INA/PERÚ/OTRO. Si la respuesta es INA, el

programa continúa y pregunta. CON QUE PORCENTAJE DE COMBUSTIBLE (GLP+DIESEL2) TRABAJARA EL MOTOR H/E/I/F/G Es necesario mencionar que estos porcentajes de la mezcla combustible corresponden a las alternativas H: 25-75, E: 20-80, I: 15-85, F: 10-90, y G: 100% en porcentajes de GLP y de petróleo DIESEL2 respectivamente, en este caso respondemos “G” es decir 100% DIESEL2. Inmediatamente el programa empieza a trabajar y luego nos arroja los resultados de la simulación en la Tabla TRESULTADOS.

Tabla 3. Ingreso de datos de partida.

Resultado de la simulación del cálculo térmico Los resultados de la simulación del cálculo térmico que se muestran a continuación, se han obtenido luego de ejecutar el programa principal AJESA10, según se muestra en el administrador de proyectos, del Microsoft visual FoxPro, al hacer click en todos, se muestra una base de datos, en la parte correspondiente a tablas libres, ahí encontramos en primer término la tabla denominada TRESULTADOS, de esta tabla

mediante la aplicación del programa AJESA12, se obtiene la tabla CALTURA, posteriormente se ejecuta el programa AJESA13, y se obtiene la tabla RVELOCIDAD, luego se ejecuta el programa AJESA14 y se obtiene la tabla RCCARGA, con el programa AJESA15 se obtiene la tabla RCCARGA1, luego se ejecuta el programa AJESA16, AJESA17, AJESA18, AJESA19, en forma secuencial y obtenemos las tablas ,RCMEZCLA, RCREGULACION, RCECONOMIA, y RCECONOMIA1 respectivamente, de estas tablas vamos a considerar por su importancia para el análisis comparativo con los datos experimentales; las siguientes: TRESULTADOS.- En esta tabla se muestran los valores de todos los parámetros del motor diesel Perkins sobrealimentado. CALTURA.- Se muestra, los valores para las características de altura del motor. RCVELOCIDAD.- Podemos observar los valores para las características de velocidad. RCCARGA.- Vemos los valores para las características de carga del motor. Análisis comparativo gráfico Para efectuar el análisis comparativo gráfico, vamos a tener en consideración las tablas correspondientes, donde se han considerado los valores tanto experimental como simulados, tanto para una mezcla de D2+GLP considerando la alternativa “E” así como para D2 alternativa “G”, es importante resaltar, que en ambos casos se ha adoptado la velocidad de rotación nominal de 2250 RPM, según el protocolo de pruebas y los valores simulados, de tal manera de aproximarnos a los valores asignados en el protocolo de ensayos. Con las tablas indicadas se elaboran los gráficos de las características de velocidad y de carga del motor en análisis, estos gráficos se muestran en las Figuras 1 al 7, estos gráficos han sido elaborados en AUTOCAD versión 2008, en base a los datos tabulados en la hoja de cálculo Microsoft EXCEL.

Características de velocidad I.-Análisis de las características de velocidad experimental: nnom=2250 rpm y características de velocidad simuladas GLP+D2 alternativa “E”, nnom=2250 rpm. II .-Análisis de las características de velocidad experimental: n nom=2250 rpm y características de velocidad simuladas 100% D2 alternativa “G”, n nom=2250 rpm. Características de carga III.- Análisis características de carga experimental nnom=2250 y características de carga simuladas GLP+D2 “E”, para nnom=2250. • Características de carga experimental para

nnom=2250 rpm y simulada con nnom=2250 rpm, utilizando GLP+D2 "E", n = 1250 rpm.

• Características de carga experimental para nnom=2250 rpm y simulada con nnom=2250 rpm, utilizando GLP+D2 "E", n = 1500 rpm.

• Características de carga experimental para nnom=2250 rpm y simulada con nnom=2250 rpm utilizando GLP+D2 "E", n = 2000 rpm.

• Características de carga experimental para nnom=2250 y simulada con nnom=2250 rpm utilizando GLP+D2 "E", n = 2250 rpm.

IV.- Análisis características de carga experimental nnom=2250 rpm y características de carga simuladas 100% D2 “G”, para n nom=2250 rpm • Características de carga experimental para

nnom=2250 rpm y simulada con nnom=2250 rpm utilizando 100% D2 "G", n = 1500 rpm.

• Características de carga experimental para nnom=2250 rpm y simulada con nnom=2250 rpm utilizando 100%D2 "G", n = 2000 rpm.

• Características de carga experimental para nnom=2250 rpm y simulada nnom=2250 rpm utilizando 100%D2 "G", n = 2250 rpm.

• Características de carga experimental para n nom=2250 rpm y simulada nnom=2250 rpm utilizando 100%D2 "G", n = 2400 rpm.

Fig. 1 Características de velocidad simuladas alternativa “E”, Me, Ne, Gc, con Nnom 2800 rpm, y características de ensayo con Nnom=2250 rpm.

Fig. 2 Características de velocidad simuladas alternativa “E”, ge, Ga, efe, con Nnom 2800 rpm, y características de ensayo con Nnom=2250 rpm.

Fig. 3 Características de velocidad simuladas alternativa “G”, Me, Ne, Gc, con Nnom 2800 rpm, y características de ensayo con Nnom=2250 rpm. (Diesel 2).

Fig. 4 Características de carga simuladas alternativa “G”, con Nnom 2250 rpm, y características de ensayo con Nnom=2250 rpm., con n=1500 rpm.

Fig. 5 Características de carga simuladas

alternativa “G”, con Nnom 2250 rpm, y características de ensayo con Nnom=2250 rpm., con n=2000 rpm.





Discusión de resultados y contrastación de hipótesis. Del análisis de las curvas expuestas, se deduce dos aspectos fundamentales:

Que mediante el uso apropiado del programa de cálculo térmico, el cual incluye cálculos reiterativos en base a un programa de computo denominado Ajesa 2004, se puede predecir el funcionamiento de un motor de combustión interna y en base a este cálculo, se puede verificar si el procedimiento experimental se desarrolla o no adecuadamente mediante la contratación de los datos experimentales y simulados; para lo cual es recomendable que el equipo o banco de pruebas debe estar calibrado adecuadamente y en buen estado operativo para que los datos obtenidos sean confiables y no escapen demasiado de los valores considerados adecuados, esto se comprueba con los valores obtenidos en las tablas de variación porcentual, en estos cuadros se observa la variación porcentual para la media y media ponderada para las características de velocidad y la media para las características de carga, en ambos casos y al final de estos cuadros indicamos con las letras A de adecuado y NA de

no adecuado para cada variación obtenida.

Es importante mencionar que según el análisis de la variación porcentual, los datos obtenidos experimentalmente que fueron extraídos de [9], en algunos casos son excesivos y en otros son menores a los esperados, por tal motivo los porcentajes de variación que son elevados y los hemos calificado como no adecuados, en base a las Tablas 4 y 5., dentro de los parámetros que se consideran aceptables y con porcentajes de variación confiables son: Para las características de velocidad Me, Ne, Ga, ∝, y ηe, para las características de carga Me, Gc, Ga, ge, y ηe, siendo estos: El momento efectivo (Me en Nm), la potencia efectiva, (Ne en kW), consumo de aire (Ga en kg/h), coeficiente de exceso de aire (∝), consumo de combustible (Gc en kg/h), eficiencia efectiva (ηe) y consumo especifico efectivo de combustible (g en g/kW-h).

Tabla 4. Porcentaje de variación media y ponderada, de las características de velocidad y de carga, alternativa “E”.

Tabla 5. Porcentaje de variación media y ponderada, de las características de velocidad y de carga, alternativa “G”.

CONCLUSIONES Debemos concluir que, mediante el uso de este programa de cálculo térmico podemos determinar mediante simulación las características más importantes de un motor Diesel Perkins, y realizando cambios en cuanto a las características del tipo de motor considerado, podremos obtener resultados satisfactorios para otro tipo de motor en base a este procedimiento. Los resultados de la simulación obtenidos y mostrados en las tablas, nos indican que en el caso del motor Diesel Perkins empleado en este trabajo, se consigue el mayor suministro de GLP cuando el motor funciona con bajas cargas y altas velocidades lo cual se corrobora en los gráficos experimentales. La utilización del GLP como combustible alternativo, demuestra su eficacia ya que disminuye el humeado del motor. Esta ventaja combinada con el mejoramiento del consumo de combustible, permite concluir que es posible mejorar los índices energéticos y de toxicidad del motor Diesel sin recurrir a modificaciones sustantivas del mismo, es decir instalando un

dispositivo de bajo costo y fácil fabricación. Del análisis comparativo se desprende, que el programa AJESA2004 funciona adecuadamente con un margen mínimo de error. Con este programa, se puede obtener las características de un motor diesel Perkins a diferentes condiciones de funcionamiento y con diferentes proporciones de combustible (GLP+DIESEL2). Mediante la simulación con AJESA2004, se puede predecir el funcionamiento de un motor diesel turboalimentado para diferentes alturas a nivel del mar.

REFERENCIAS 1. LIRA CACHO G ., “Inyección de gas

licuado de petróleo en los motores diesel", Revista Tecnia, Vol. 6, N°1, pp. 41-47, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Nov. 1996.

2. Patrakhaltsev, N. N., “Cálculo térmico del motor de combustión interna” Ed. Universidad de la Amistad entre los pueblos. Moscú 1981.

3. Estrella Camacuari., “Empleo de Gas Licuado de Petróleo en un motor Diesel multicilindrico”. Tesis profesional, Lima-Perú.

4. Aznualdo, R., “Mejoramiento de los índices económicos y ecológicos de los motores diesel mediante la adición de gas licuado de petróleo” Tesis-UNI.

5. Vera Becerra, E. “Diseño Térmico de un turbocompresor para sobrealimentar al motor Perkins modelo 63544 para un incremento de potencia de 50%” Tesis-UNI.

6. Jóvaj, M.S., “Motores de automóvil”, Editorial MIR, Moscú, 1982.

7. Lastra Espinoza, L, Lira Cacho, G., Vera, Becerra, E., Experimentación y cálculo de motores de combustión interna" FIM-UNI 1990.

8. Galdós Gómez, J., “Problemas y Posibilidades de Utilización de los Combustibles Gaseosos en los Motores de Combustión Interna en el Perú”. Tesis UNSAA-Arequipa, 1996.

9. Lira Cacho, G., Lastra Espinoza L., “Empleo del gas licuado de petróleo en los motores Diesel”, X Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Ramas Afines, Lima, 1991.

10. Patrakhaltsev, N. N., Pavlokov, V. G., Oliesov, I. Y., “Nuevas Aplicaciones del gas en los Motores de Combustión Interna” UNI-FIM-IMCI. III SEMINARIO INTERNACIONAL 1996.

11. Lira Cacho, G. “Inyección de gas licuado de petróleo en los motores diésel”. 'Tecnia', Vol. 6, UNI, Lima-Perú, 1996. pp. 41-47.

12. Turek, A., “ Microsoft Visual FoxPro 6.0”- Genere Aplicaciones de alta calidad en tiempo record. Microsoft-Corporation, publicado por MP Ediciones S.A., 2001- ISBN 987974411X, pp. 344.

13. Lastra Espinoza, L., “Curso sobre Motores de Combustión Interna a Gas” Lima- Peru-2002.

14. BestReferat.ru., “El Análisis Térmico y Dinámico Del Motor de combustión interna KAMAZ-740”. Trabajo de curso [799,1 K], 05/20/2011.

15. BestReferat.ru., “Cálculo Térmico del motor D-120 y cálculo de la eficiencia operativa del tractor T-30 A”. Trabajo de curso [757,9 K], 13/12/2011.

16. BestReferat.ru - Banco de resúmenes. “Cálculo del motor JAMZ-240B”. Diseño térmico del motor. Trabajo práctico [187,4 K], 12/10/2009.

Correspondencia: [email protected] Recepción de originales: julio 2014 Aceptación de originales: octubre 2014

MÉTODO AGIL DE DESARROLLO DE OBJETOS DE APRENDIZAJE PARA INGENIERIA (MADOA)

AGILE METHOD DEVELOPMENT OF LEARNING OBJECT FOR

ENGINEERING

Huamaní Gloria1, Mery Morales2, Roberto Eyzaguirre3

RESUMEN El objetivo de este artículo es mostrar el diseño de un método ágil para desarrollar objetos de aprendizaje, para Ingeniería aplicado al curso de simulación, por ser un tema afín a cualquier ingeniero, nos ha permitido obtener 7 objetos de aprendizaje, que podrían ser reusados para diferentes cursos y especialidades. Palabras clave.- Método ágil, Objetos de aprendizaje, Ingeniería de software, Simulación.

ABSTRACT The aim of this article is to show an agile method for developing learning objects for Engineering applied to the simulation course, being a related topic any engineer, has allowed us to obtain 7 learning objects that could be reused for different courses and specialties. Key words.- Agile method, Learning object, Software engineering, Simulation.

INTRODUCCION

Las universidades públicas de Lima Metropolitana no ofrecen cursos masivos online abierto. En Open Course Ware de Universia [1] se observa 5 universidades nacionales del país, solo dos a nivel de Lima Metropolitana, los link de UNI y UNMSM no están activos ( visita 02,03 y 04 de enero 2014 /2015). Asimismo, en la Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas no hay gestión visible de repositorio de contenidos digitales. El centro de información no almacena la producción intelectual de los docentes, tales como: guías, separatas, etc. Es así como tres docentes nos hemos constituido en un grupo de trabajo para diseñar objetos de aprendizaje del curso de simulación, siendo este un tema útil para todas las especialidades de ingeniería. El Objetivo del trabajo es diseñar un método ágil para desarrollar objetos de aprendizaje

para Ingeniería (MADOA). Se ha desarrollado 7 objetos de aprendizaje, para su publicación se ha editado con eXelearning, y el paquete Sharable Content Object Reference Model (SCORM) de Moodle. En ese contexto, el método ágil SCRUM, nos ha servido de referencia para gestionar el proyecto. MADOA, se describe en tres pasos: Primero se ha desarrollado un prototipo, el mismo ha servido para elaborar un manual de instrucción donde se describe los pasos a seguir y las herramientas a utilizar. En segundo término se mostró el prototipo al especialista temático para la réplica pertinente, cabe mencionar que el reuso es una característica de los objetos de aprendizaje. En tercer término el especialista en tecnología de información hace visible la metadata con el apoyo brindado por dos estudiantes del curso de logística empresarial para la edición y publicación.

________________________________________________________________________________________ 1Doctora y docente investigadora de la Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2Doctora y docente investigadora de la Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas de la Universidad Nacional de Ingeniería, 3Doctor y docente investigador de la Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas de la Universidad Nacional de Ingeniería.

Todos los pasos descritos requieren de un equipo que asume diferentes roles para hacer visible el objeto de aprendizaje, participar en su desarrollo permite compartir información y exteriorizar conocimientos. Esta publicación se ha estructurado del siguiente modo: en la primera sección, Definición, taxonomía, modelo de diseño, componentes y características de un objeto de aprendizaje (OA); en la segunda sección se muestra aspectos sobre la ingeniería de software como: plataforma tecnológica de código abierto, método ágil - SCRUM, en la tercera sección se muestra la metodología – MADOA, los resultados de la investigación, discusión conclusiones y recomendaciones.

OBJETOS DE APRENDIZAJE, TAXONOMÍA, COMPONENTES Y

CARACTERÍSTICAS Definición.- Un Objeto de Aprendizaje (OA) es un recurso educativo que permite facilitar el proceso de enseñanza aprendizaje La definición de objetos de aprendizaje, y que en su estado digital se convierte en recurso educativo abierto (REA). Sin embargo, según Calzada (2010) [2] la definición de OA ha sufrido una evolución y replanteamientos, existe abundancia de denominaciones de los objetos de aprendizaje, ver Tabla 1. Tabla 1. Denominación versus responsable de OA.

Denominación Responsable

Learning resource ADL Pedagogical docuements

Ariadne

RIO (Reusable Information Objetcs)

Cisco Systems

RLO (Reusable Learning Objetcs)

Merlot, Barrit y Alderman (2004)

SCO ( Shareable Content Objects)

ADL (SCORM)

A su vez, Astudillo [3] cita a (Hodgins, 2000), presenta una definición de Objetos de información (Information object).- <<. Los objetos de información son pequeñas porciones de información en las que se puede dividir el

conocimiento, que pueden ser combinadas y utilizadas libremente, como se hace con las piezas de LEGO. Con estos objetos es posible personalizar el aprendizaje utilizando (y reutilizando) el mismo objeto de información >>. Por otra parte, para Chan Núñez [4] “un objeto de aprendizaje es una entidad informativa digital que se corresponde (representa) con un objeto real, creada para la generación de conocimientos, habilidades, actitudes y valores, y que cobra sentido en función de las necesidades del sujeto que lo usa”. Chang, hace hincapié en que deben ser recursos digitales diseñados con una intencionalidad pedagógica. Además, aunque de manera implícita, ubica a los OA dentro de las corrientes pedagógicas que proponen un aprendizaje centrado en el estudiante. Taxonomía de objetos de aprendizaje El desarrollo de OA inicia desde la ubicación de datos, contenidos en textos, audio, animación, simulación. Si los datos son agrupados. Contextualizados, tienen un significado, entonces se convierten en objetos informativos, mostrados como procedimientos, procesos, resúmenes. Para luego convertirse en objetos de aprendizaje. Para visualizar mejor, se adaptó la taxonomía propuesta por (Hodgings, 2000) citado por Calzada [5]. Ver Figura 2.

Fig. 2 Taxonomía de objetos de aprendizaje

(adaptado de Hodgings).

Modelo de diseño de un objeto de aprendizaje – componentes y/o elementos básicos de los objetos de aprendizaje El desarrollo de un objeto de aprendizaje se caracteriza por ser un trabajo colaborativo, a su vez, se hace necesaria la identificación de componentes básicos, tales como: aspectos teóricos (contenidos), experiencia práctica, evaluación de los aprendizajes y evaluación. Consideramos muy ilustrativo el modelo de CISCO, citado por Calzada [6]. Ver Figura 3.

Fig. 3 Modelo de diseño de un objeto de aprendizaje según CISCO.

Características de objetos de aprendizaje Diversos autores coinciden acerca de características de los objetos de aprendizaje: a) Flexibilidad.- El material educativo es usado para usarse en múltiples contextos, debido a su facilidad de actualización, gestión de contenido y búsqueda, esto último gracias al empleo de metadatos. b) Modularidad.- Posibilidad de entregarlos en módulos, potencia su distribución y recombinación. c) Reutilización.- El objeto debe tener la capacidad para ser usado en contextos y propósitos educativos diferentes y adaptarse pudiendo combinarse dentro de nuevas secuencias formativas. d) Granularidad.- Es una concepción de objetos como pequeñas unidades, que pueden ser acopladas y/o adicionadas de diversas maneras, South y Monzón (2000) Citado por Callejas, Hernández y Pinzón. [7] establecen que “la

reusabilidad es en gran parte una función del grado de granularidad de los objetos. La reusabilidad del objeto de aprendizaje va a depender en gran medida del grado de granularidad del recurso”. e) Interoperabilidad.- Es l a capacidad para poder integrarse en estructuras y sistemas (plataformas) diferentes. f) Accesibilidad.- Es la facilidad para ser identificados, y recuperados gracias al correspondiente etiquetado a través de diversos descriptores (metadatos) que permitirían la catalogación y almacenamiento en el correspondiente repositorio. g) Portabilidad.- La mayoría de los sitios web de aprendizaje carece de herramientas convenientes en el empaquetado de la información que los usuarios necesitan; por lo tanto esto dificulta el intercambio de la información publicada en los sitios web, no permiten ser extraídos y reutilizados, así lo afirman Huang, Tsai, Dai [8].

INGENIERIA DE SOFTWARE, METODO AGIL, PLATAFORMA TECNOLOGICA PARA DESARROLLO DE OBJETOS DE

APRENDIZAJE Las técnicas, métodos, herramientas de Ingeniería de Software han evolucionado. Es en ese contexto que, se aplicó para la gestión de proyecto el método ágil SCRUM, el desarrollo incremental y desarrollo rápido de aplicaciones para desarrollar el prototipo Antecedentes En nuestra búsqueda de métodos de desarrollo de objetos de aprendizaje hemos ubicado: Modelo Instruccional para el diseño de Objetos de Aprendizaje (MIDOA), Metodología para el Desarrollo de Objetos de Aprendizaje (MEDOA), y metodología desarrollada por Universidad del Valle de Colombia. En la Tabla 2 se presenta un análisis comparativo (Huamaní, 2014) [9]. En la universidad del Valle desde la Dirección de Nuevas Tecnologías y Educación Virtual (DINTEV) - Vicerrectoría Académica se hace visible el desarrollo de recursos digitales educativos y en sus boletines se trata diversos temas.

Siendo un tema de interés: la docencia en entornos virtuales la virtualidad no desplaza al profesor [10] << las profesoras Ocampo, Sanabria y Toro coinciden en que los materiales para la virtualidad tienen que proponer cosas distintas a los textos escritos; se trata de ofrecer al alumno otras posibilidades de acuerdo con su estilo de aprendizaje, propiciando una enseñanza activa y participativa apoyada por diferentes recursos técnicos y audiovisuales>>. De este modo con el uso de la TIC, el profesor se vuelve mediador, motivador y acompañante del proceso de aprendizaje del estudiante. La propuesta de Universidad del Valle, evoluciona periódicamente. De acuerdo a Borrero, Cruz, et. al. [11] <<se creó una “metodología de diseño de Objetos de

Aprendizaje” la cual es producto de la combinación de un modelo pedagógico y un modelo de ciclo de vida de desarrollo de software. Está constituida por 5 fases a saber: formulación y planificación, análisis, ingeniería, generación de páginas y pruebas, y evaluación del cliente”. Han aplicado el modelo incremental, el espiral y el IWEB. Siendo IWEB un modelo de ciclo de vida para el desarrollo de software en el que se han basado para el proceso de desarrollo de software educativo en la Dintev, ya que con él se puede cubrir en su totalidad el ciclo de vida del software a desarrollar, tomando en cuenta los riesgos que se tienen, además, que permite desarrollar versiones cada vez más completas, gracias a su enfoque evolutivo>>.

Tabla 2. Análisis comparativo de métodos de desarrollo de objetos de aprendizaje.

U Valle Metodología de diseño de OA

MEDOA Metodología para el desarrollo de OA

MIDOA Modelo Instruccional para el diseño de OA

1. Formulación

planificación 1. Planeación 1. Análisis

2. Análisis 2. Análisis 2. Diseño

3. Ingeniería 3. Diseño 3. Desarrollo

4. Generación de páginas y pruebas

4. Implementación

5. Evaluación del cliente.

5. Validación 6. Implantación y 7. Mantenimiento

4. Evaluación a través de diseño instruccional proceso basado en ingeniería de software

Fuente: Huamaní en TELEDU 2014. Por lo general corresponde a la etapa de análisis el diseño didáctico, donde se debe tomar decisiones sobre objetivos, contenidos, metodología, evaluación del contenido y aplicación. Una vez que se ha definido el diseño didáctico se diseña el contenido. Al diseño de contenido corresponde la selección y producción de materiales textuales y no textuales como imagen, video, sonido. Plataforma tecnológica de código abierto La gran mayoría de docentes utiliza aula virtual, en una plataforma que el centro educativo disponga.

En Lima metropolitana las universidades públicas utilizan MOODLE, sigla que corresponde a Modular Object Oriented Dynamic Learning Environment. Moodle sirve para Gestión de sistemas de ambientes de aprendizaje/ course management system o learning management system (CMS/LMS) Basado en PHP y MySQL, Postgre SQL. Se utiliza MOODLE, entre otras razones por ser de código abierto y por su accesibilidad, así presenta contenidos del curso, enlaza con otros materiales, genera cuestionarios y los aplica, los alumnos envían sus tareas, participan en chats, foros de

discusión, para proporcionar comentarios sobre el material o el desarrollo del curso. Sin embargo, unos pocos prestan atención al paquete SCORM, este permite “empacar” una clase utilizando objetos de aprendizaje. Herramientas – editores de autor Existen editores de autor tales como: Reload, eXelearning, Glomaker, Autore, Softchalk. Por su accesibilidad, disponibilidad, y facilidad de uso se ha utilizado eXelearning [12]. Método ágil Los métodos ágiles más conocidos, según Casallas [13] son: Extreme Programming (XP), Scrum, Adaptive Software Development (ASD), Crystal Clear y otras metodologías de la familia Crystal, Lean software development, Feature Driven Development, DSDM. El Scrum es un marco de trabajo de una forma iterativa e incremental. El desarrollo del producto o proyecto, se estructura en ciclos de trabajo llamados Sprints (también conocidos como iteraciones). Estas iteraciones no deben durar más de cuatro semanas cada una (siendo dos semanas la duración lo habitual) y tienen lugar una tras otra sin pausa entre ellas. Los Sprints tienen un periodo de trabajo, finalizan en una fecha determinada independientemente de si el trabajo ha finalizado por completo o no, y jamás se prorrogan. Según Ekas [14] <<Los equipos ágiles tienden a ser muy productivos desde la primera iteración hasta su lanzamiento y su ritmo tiene que ser gestionado de modo que no se produzca agotamiento>>. Un equipo ágil funciona de manera productiva durante todo el ciclo que mantienen este código de trabajo con cada iteración, permiten realizar pruebas de rendimiento y sistemas desde el principio, pudiendo empezar en las primeras iteraciones. De este modo, defectos críticos como problemas de integración se descubren antes, la calidad general del producto es mayor y el equipo funciona de manera más productiva durante todo el ciclo de desarrollo>>.

METODOLOGIA - MADOA El Desarrollo de MADOA contempla tres fases: Planeación, ejecución y evaluación (Ver Figura 4). En este proyecto se describe la ejecución.

Fig. 4 Fases de MADOA. En la fase de ejecución del desarrollo de objetos de aprendizaje, se ha observado y replicado el prototipo Objeto de aprendizaje OA mrp. De este modo, se evidencia la conversión de datos en objetos de información, el mismo que sirve para desarrollar un OA. Para describir y elaborar un video se ha desarrollado un OA de compras. En la selección de textos, videos y material, se hizo una revisión documental. Para el aprendizaje de desarrollar contenidos se aplicó la heurística por un lado y por otro lado el desarrollo incremental para el reuso. En el desarrollo de MADOA, hay dos tipos de investigación: exploratoria y descriptiva. La primera etapa es exploratoria, por haber revisado documentos y otros trabajos de investigación. En una segunda etapa ha sido descriptiva, en esta etapa se ha observado el prototipo OA sobre mrp, por un lado, y por otro se ha constituido un equipo de trabajo que asuma roles de especialista en aspectos técnicos y otro de aspectos pedagógicos, de este modo se evidencia la necesidad de establecer una red de personas que comparten el conocimiento obtenido. El soporte técnico ha sido realizado por dos alumnos de logística, uno de ellos capacitó al otro. En una tercera etapa, se ha convertido datos en objetos de información. En esta etapa, se ha recurrido a la investigación documental, revisión

de tópicos sobre simulación, dando lugar a la descripción de la Metadata. La cuarta etapa es cuasi experimental a esta etapa corresponde la edición y empaquetado de objetos de aprendizaje. Se ha editado contenidos del objeto de aprendizaje, utilizando la herramienta eXelearning, y se ha empaquetado en SCORM MOODLE. La quinta etapa corresponde a la publicación. Los 7 objetos se han “subido” en la plataforma fiisvirtual.uni.edu.pe, curso simulación del Área de Sistemas y telemática: ST124A.

RESULTADOS Método Ágil de Desarrollo de Objetos de Aprendizaje (MADOA) Para gestionar el desarrollo de objetos de aprendizaje mediante MADOA se aplicó el método ágil SCRUM.

Fig. 5 MADOA v01.1.

Para desarrollar los 7 objetos de aprendizaje para curso de Simulación, el experto en el tema ha seleccionado el material. A partir de ello, se ha desarrollado los contenidos utilizando la herramienta de autor eXelearning. Por otro lado, se ha descrito la metadata en Dublin Core, luego se ha exportado a SCORM para subir a la plataforma MOODLE y finalmente ser publicados y visto por los usuarios. Metadata Cada objeto de aprendizaje requiere una catalogación para ser recuperada. Ver Tablas 3 y 4.

Tabla 3. Información de Metadatos para OA. Tema 2 categoría “5. Uso educativo”.

METADATOS INFORMACION

USO EDUCATIVO

5.1 Tipo de Interactividad

Expositiva

5.2 Tipo de Recurso Educativo

Página Web

5.3 Nivel de Interactividad

Bajo

5.4 Densidad Semántica

Media

5.5 Destinatarios

Estudiantes

5.6 Contexto

Educación Superior

5.7 Rango de edad

No especificado

5.8 Dificultad

Fácil

5.9 Tiempo de Aprendizaje

10 horas

5.10 Descripción En “introducción de OA”

5.11 Idioma

Español

Tabla 4. Información de Metadatos OA.

Tema 2 categoría “6. Derechos”.

METADATOS INFORMACION

DERECHOS

6.1 Agrupa los derechos de propiedad intelectual y condiciones para el uso del OAs

SI

6.2 Coste

NO

Publicación y edición de objetos de aprendizaje de curso de simulación Se editó un video para mostrar el uso del editor de autor, SCORM y Moodle [15]. La publicación del objeto de aprendizaje se realizó en la plataforma de fiisvirtual.uni.edu.pe [16] según se muestra en la Figura 6.

Fig. 6 Objetos de aprendizaje de simulación.

AGRADECIMIENTOS Agradecemos a Daniel Moreno, quién ha editado el objeto de aprendizaje mrp a Juan Aldaba por su colaboración en el desarrollo de OA “compras” para facilitar la labor de Joaquín Salcedo, quién editó el manual de diseño instruccional v01.1 en formato video. Al estudiante Michael Larico por apoyar en la edición y publicación de (6/7) objetos de aprendizaje.

CONCLUSIONES Se ha consolidado un equipo de trabajo en el desarrollo de objetos de aprendizaje. Se aplicó método ágil en la ejecución del proyecto facilitando el desarrollo de OA, intercambio de experiencias y aprendizajes.

RECOMENDACIONES Para facilitar la visibilidad de la producción intelectual es necesario seguir promoviendo la formación de equipos de trabajo de alto rendimiento, fomentando el uso de editores de autor, elaboración de vídeo tutorial.

Para permitir la reusabilidad e interoperabilidad de objetos de aprendizaje entre docentes, se requiere un repositorio, para almacenar los datos, objetos de información y objetos de aprendizaje.

DISCUSION Weiyong Zheng (2013) [17], en su trabajo de investigación se centra en el diseño y la realización de sistemas de gestión de recursos de educación/ Educational Resource managment (ERM), basada en el aprendizaje de metadatos de objetos. El SISTEMA: puede correr en el sistema operativo Windows, y no en Linux; no puede realizar la operación distribuida y adopta la base de datos SQL server. Por otra parte para Salas, Álvarez et. al. [18], usaron las herramientas Flash, Reload Editor y Reload SCORM Player, para la implementación de los OA.

REFERENCIAS 1. Universia disponible en

http://ocw.universia.net/es/instituciones-integrantes-iberoamericanas-opencourseware.php

2. Calzada, F., “Repositorios, bibliotecas digitales y CRAI”. Alfagrama ediciones, Argentina, 2010.

3. Astudillo, G, “Análisis del estado del arte de los objetos de aprendizaje. Revisión de su definición y sus posibilidades”. Trabajo final en Maestría: “Informática Aplicada a la Educación” Universidad Nacional de La Plata. Argentina, 2011. http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/4212/Documento_completo.pdf?sequence=1

4. Chan Chan, Núñez, “Objetos de aprendizaje”, México: Trillas, 2002.

5. Hodgings, “Taxonomía de objetos de aprendizaje en Calzada (Op. Cit)”, pp. 76.

6. CISCO. “Modelo de diseño de Objetos de aprendizaje en Calzada (Op. Cit)”, pp. 90.

7. Callejas, M., Hernández, E., Pinzón, J., “Objetos de aprendizaje un estado del arte” Entramado. Unilibre Cali Vol.7 No. 1, 2011 (Enero - Junio) pp. 176-189. Disponible en http://www.scielo.org.co/pdf/entra/v7n1/v7n1a12.pdf

8. Huang, Tsai, Dai, “Building Learning Object with Information Object Model”, IEEE International Conference on Teaching, Asessment and Learning for Engineering. 26-29 Agosto, 2013 IEEE. Disponible en http://www.ieee.org

9. Huamaní, G., “Gestión de conocimiento para desarrollar objetos de aprendizaje para logística empresarial”, TELEDU 2014 Medellín Colombia en http://www.portafolioconsultores.org/memoriasteledu2014/

10. Universidad del Valle, “La docencia en entornos virtuales la virtualidad no desplaza al profesor”, Santiago de Cali, Octubre de 2013 - Año 10 No. 29. Boletín informativo dela DINTEV en http://dintev.univalle.edu.co/saberabierto/adjuntos/saberabierto_ed29.pdf

11. Borrero, M., Cruz E., Mayorga, S., Ramírez, “Una metodología para el diseño de Objetos de Aprendizaje”, La experiencia de la Dirección de Nuevas Tecnologías y Educación Virtual, Dintev, de la Universidad del Valle. Universidad del Valle, 2009.

12. http://exelearning.net 13. Casallas Casallas, R., “Metodologías ágiles

de desarrollo de software”, en http://www.academia.edu/870447/Metodolog%C3%ADas_%C3%A1giles_de_desarrollo_de_Software

14. Ekas, L., Disponible 12.01.15 en https://www.ibm.com/developerworks/community/blogs/rationalspain/entry/5_beneficios_de_las_metodolog_C3_ADas__C3_A1giles_en_el_desarrollo_de_sistemas_de_software5?lang=en

15. Huamaní, G., Salcedo, J., “Manual de diseño instruccional para desarrollo de objetos de aprendizaje”, Lima, UNI FIIS 31.12.14. https://www.youtube.com/watch?v=LIU_if0uXho

16. “Objetos de aprendizaje de curso de simulación”, http://fiisvirtual.uni.edu.pe/moodle/

17. Weiyong, Zheng, “Design and Realization of Educational Resources Resources Management System Based on Learning Object”, Metadata. Seventh International Conference. 2013 IEEE. Disponible en http:// www.ieee.org

18. Salas Alvarez, et.al. Bula Herazo, Peña Salgado., “En su trabajo Diseño e implementación de Objetos de Aprendizaje basado en Tecnologías estándares para soportar e-learning”, Revista Cognición Noviembre 2007– Año 3 – No. 11, pp. 66.

Correspondencia: [email protected] Recepción de originales: octubre 2014 Aceptación de originales: diciembre 2014

EXPOSICIÓN OCUPACIONAL EN PRACTICAS MÉDICAS CON RADIACIONES NO IONIZANTES

OCCUPACIONAL EXPOSURE TO NON IONIZING RADIATION

FROM MEDICAL PROCEDURES

Valdivia Maldonado Pedro Oswaldo1

RESUMEN

Se evaluaron niveles de exposición desde equipos de Magnetoterapia, Diatermia Quirúrgica y Diatermia Terapéutica. No se observaron daños, pero si preocupación en los trabajadores; los niveles de exposición son menores que los limites ICNIRP. Es necesario establecer registros, para continuar con investigaciones a largo plazo. Palabras clave.- Exposición, Radiación no ionizante, Seguridad, Medicina.

ABSTRACT Occupational exposure levels for Magnetic Equipment, Surgical and Therapeutics Diathermy were evaluated. No damage was observed, nonetheless workers still show concern; exposure levels are lower than the ICNIRP limits. Records should be established, to continue long-term research. Key words.- Exposure, Non ionizing radiation, Safety, Medicine.

INTRODUCCION Las prácticas médicas evaluadas son la Magnetoterapia [1, 2 y 3], la Diatermia Terapéutica [4, 5, 6 y 7] y la Diatermia Quirúrgica o electro cirugía [4, 5 ,6 y 7]. Generalmente no se percibe a estas fuentes como un problema alarmante sin embargo entre los operadores existe una preocupación por los impactos negativos sobre su salud. Se han realizado innumerables trabajos de investigación al respecto y no se ha logrado constatar daños a las personas, no obstante, los trabajadores manifiestan sus temores, los que se inician con falta de información. McKinlay, AF et Al [8], indica que la NRPB ha recomendado la adopción de las directrices de la ICNIRP para limitar la exposición ocupacional. La ICNIRP [9], cuando se refiere a Campos Eléctricos Variables, menciona que su interacción con el cuerpo humano, origina una corriente eléctrica, la formación de dipolos eléctricos y su

reorientación alrededor del tejido expuesto, los Campos Magnéticos Variables inducen campos eléctricos y corrientes eléctricas. Asimismo indica que aún no se dispone suficiente información sobre efectos biológicos y a la salud, por lo que no se pueden todavía establecer factores de seguridad, muy rigurosos; y las incertidumbres están relacionadas con la falta de conocimiento de una adecuada medición dosimétrica. La OIT [10], presenta recomendaciones relacionadas con la seguridad ocupacional e indica que es evidente que se requieren más investigaciones para lograr una comprensión satisfactoria de los resultados de los estudios realizados. Suarez et Al [11], informa de estudios efectuados en 14 hospitales de la ciudad de La Habana (Cuba) y mencionan que los responsables de la Protección e Higiene del Trabajo no percibieron a esas fuentes como un problema, al compararlos con otros factores de riesgos propios de esas instituciones.

___________________________________________________________________________________ 1Ing. de la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería.

La situación entre los operadores varía algo, en ellos aumenta la preocupación por los efectos de ese tipo de energía sobre su salud. La Dirección de Salud Ambiental del Ministerio De Salud y Bienestar de Canadá, [12] manifiesta que las mediciones de las intensidades de la radiación de fuga, en equipos diatermia de onda corta, indicaron que hay una exposición excesiva para los operadores, con respecto a los niveles recomendados por el gobierno federal. Wilen J [13], expresa que las unidades de electrocirugía son ampliamente utilizadas en los servicios de salud médica. Debido a la alta tensión y a la corriente en el cable, campos electromagnéticos fuertes aparecen cerca de estas unidades., es necesario continuar las investigaciones para reducir los campos alrededor de estas unidades.

RECURSOS EQUIPOS Y METODOS Mediante la subscripción de Convenios entre INICTEL–UNI, FIA-UNI, DIGESA-MINSA, FIEE-UNMSM, se logró reunir a Profesionales de dichas entidades, así como a alumnos de dicha Universidades, con quienes se conformó el Grupo de Trabajo. Los datos de campo se obtuvieron siguiendo las recomendaciones IEEE C.95 y para las mediciones se utilizaron los equipos EFA-300 (bajas frecuencias) y EMR-300 (altas frecuencias), los que fueron proporcionados por INICTEL-UNI. Se realizó la revisión y análisis de documentos (impresos y, electrónicos). Se realizaron Conferencias, de difusión de Información, con la participación de reconocidos expertos de organismos nacionales e Internacionales. Para iniciar el trabajo de investigación, fue necesario conocer la condición actual de los equipos médicos, así como su ubicación. Para ello se elaboró una encuesta que fue enviada a los responsables de salud ocupacional de los órganos desconcentrados del Ministerio de Salud como son las Direcciones de Salud de Lima y los Institutos Especializados por medio de la Dirección de Salud Ocupacional de la Dirección General de Salud Ambiental (DIGESA).

RESULTADOS Y DISCUSION Se observó gran preocupación de los trabajadores frente a los posibles daños que puedan causarles el uso de equipos que emiten radiaciones no ionizantes, pero a la vez manifestaron su necesidad de recibir capacitación y mayor información al respecto. Sus preocupaciones las manifiestan bajo forma de temores, antes que bajo forma de un conocimiento objetivo: “me han dicho que podría causar…”; pero no dieron razón de alguien que haya sufrido un daño directamente vinculado y demostrado que haya sido causado por su trabajo con estos equipos. La ausencia de registros oficiales, no excluye la posibilidad de que bajas dosis de radiación puedan producir daños futuros (probabilísticos). El temor de los trabajadores, frente a los posibles daños de la radiación no ionizante, está relacionado con su limitado conocimiento sobre sus efectos e impactos, desconocimiento que, a su vez, se constituye en un factor de riesgo ya que los puede inducir a desarrollar las prácticas médicas sin considerar la necesidad de respetar procedimientos seguros. Los trabajadores mostraron habilidades y destrezas en el uso de los equipos, pero casi nula formación y educación sobre seguridad. No se dispone de equipos que puedan medir niveles de radiación, es limitado el uso de equipos de protección personal, la distancia es el único procedimiento de seguridad conocido pero no acatado en todos los casos. Asimismo no se ha observado, como práctica habitual, considerar el tiempo de exposición del trabajador durante la manipulación de estos equipos. Es escaso el uso de señales de seguridad y tampoco existen procedimientos escritos, por tanto los trabajadores solo usan los equipos en función a su experiencia personal, la que es trasmitida durante el trabajo. Los manuales técnicos de los equipos no están fácilmente ubicables. Es necesario promover el uso de las medidas de seguridad relacionadas con el tiempo, la distancia, los medios de atenuación y las condiciones de exposición. El uso de señales de seguridad y procedimientos, convenientemente usados permitirán disponer de elementos primarios para la seguridad; su mínimo costo los hace fácilmente accesibles.

Durante las visitas se ha observado la activa participación de los profesionales responsables, pero solo hasta el nivel de gerentes operativos, no se ha observado la participación de los Gerentes de Coordinación y Dirección, de manera personal o través de normas y directrices sobre el trabajo en condiciones de seguridad. Es necesario involucrar a Gerentes de todos los niveles, a fin de disponer de normas, directrices, políticas; lo que también facilita la asignación de recursos. Las investigaciones deben realizarse en estrecha coordinación con el personal médico, para lograr un registro y seguimiento de trabajadores y pacientes, lo que permitirá identificar posibles efectos e impactos relacionados al uso de las radiaciones no ionizantes, en el largo plazo. De las evaluaciones realizadas se observa que el personal de salud recibe muy poca capacitación en seguridad, higiene y salud para prevenir de riesgos y daños por radiaciones no ionizantes por lo que es necesario desarrollar programas de sensibilización y capacitación, y post evaluación del riesgo. La capacitación debe incluir aspectos relacionados al "análisis comparativo de riesgos”, a fin de distinguir impactos similares a los producidos por otros agentes. Los manuales de los equipos no están al alcance para conocer las instrucciones del fabricante sobre su operación y mantenimiento de los equipos. En la Tabla 1 se muestran las instituciones y equipos que se evaluaron en las siguientes entidades: Hospital “Daniel Alcides Carrión” (HDAC), Instituto Nacional de Rehabilitación “Dra Adriana Rebaza Flores” (INR). Tabla 1. Listado de instituciones y equipos

médicos seleccionados para las evaluaciones.

EQUIPO MEDICO

CANTIDAD ENTIDAD

Diatermia en Microondas

1 HDAC

Diatermia Quirúrgica

1 HDAC

Magnetoterapia

3 INR

En la Tabla 2 se muestran los límites máximos para la frecuencia de operación de los equipos. Tabla 2. Limites ICNIRP de exposición

ocupacional para los equipos evaluados.

EQUIPO Frecuencia E(V/m)

B(µT)

Magnetoterapia 60Hz 8333,3

416,6

Diatermia Quirúrgica

500 kHz 610 4

Diatermia Microondas

2450 MHz 137 0.45

En la Tabla 3 se muestra los valores obtenidos para tres Equipos de Magnetoterapia. El nivel más alto alcanza al 3,02% de los limites ICNIRP, medido en el interior del aplicador tipo bobina cilíndrica del Equipo Magnetherp 330Gauss. Tabla 3. Mediciones en equipos para

Magnetoterapia. Punto de medición

Equipos (Gauss)

ICNIRP Tipo de exposición

1 200

2,289% Ocupacional 2 0,26% Ocupacional 1 330 3,02% Ocupacional 2 0,42% Ocupacional 1

440 0,32% Ocupacional

2 1,05% Ocupacional 3 0,227% Ocupacional

En la Tabla 4 se muestran los valores obtenidos para los equipos de diatermia terapéutica, encontrándose que el nivel máximo corresponde al 14,71% de los limites ICNIRP. Tabla 4. Mediciones en equipos para diatermia

terapéutica.

Punto de Medición

%ICNIRP Tipo de exposición

1 14,71 Ocupacional 2 6,26 Ocupacional 3 4,45 Ocupacional

En la Tabla 5 se muestran los valores obtenidos para los equipos de diatermia quirúrgica, siendo el nivel más alto de 7,35 % de los límites ICNIRP. Tabla 5. Mediciones en equipos para diatermia

quirúrgica (electrocirugía).

Punto de

medición

% ICNIRP

Tipo de exposición

1 7,35% ocupacional 2 7,35% ocupacional 3 0.20% ocupacional

Diversas publicaciones nos refieren acerca de posibles efectos adversos de las radiaciones no ionizantes, sin embargo todas ellas manifiestan la necesidad de continuar con trabajos de investigación a fin de disponer de hechos objetivos que puedan proporcionar conclusiones sustentables; todas consideran ampliamente apropiados los límites propuestos por ICNIRP.

CONCLUSIONES − No se han observado daños que se puedan

atribuir a las radiaciones no ionizantes. − Los niveles de exposición ocupacional

cumplen con los limites ICNIRP. − No se observan condiciones apropiadas de

trabajo. − No se dispone de un registro de trabajo con

radiaciones no ionizantes. − Los trabajadores ocupacionalmente expuestos

muestran gran interés por ampliar sus conocimientos sobre los riesgos y condiciones seguras de trabajo.

RECOMENDACIONES

− Continuar con las investigaciones de

exposición a radiaciones no ionizantes, creando registros oficiales de los niveles de radiación, condiciones de exposición, percepción de los trabajadores y posibles impactos.

− Desarrollar actividades de Educación y Capacitación en Seguridad de Radiaciones No Ionizantes.

− Continuar usando y difundiendo, como marco normativo técnico, las restricciones y recomendaciones ICNIRP.

REFERENCIAS 1. PEREZ G., “Magnetoterapia: salud de

hierro con imanes”. [en línea] [citado Setiembre 15,2011]. Disponible en http://www.biomagnetismomedico.org.mx/libro_gratuito_de_magnetoterapia.html

2. RAMIREZ F ., “Magnetoterapia” [en línea] Biocyber-Medicina alternativa”, [citado agosto 31, 2011]. Disponible en http://www.biocyber.com.mx/libro-magnetoterapia.htm

3. COGHILL R. , “El libro de Magnetoterapia”. Ed Sirio. 2001.

4. CRUZ V. “Emisiones de Radiaciones no Ionizantes (RNI) de Equipos Médicos”. UNMSM (FIEE). Perú 2010.

5. SAMANIEGO J et Al ., “Evaluación de las Emisiones de Radiaciones No Ionizantes de Equipos Médicos”. INICTEL-UNI. Perú. 2010.

6. CAMERON MH., “Agentes Físicos en Rehabilitación: de la investigación a la práctica” Ed. Elsevier. Barcelona. 2009.

7. CRUZ V et Al., “Evaluación de las Radiaciones No Ionizantes de Equipos Biomédicos en la ciudad de Lima”. UNMSM (FIEE). Perú. 2012.

8. MC KINLAY AF et Al., “Recomendaciones para limitar la exposición a campos electromagnéticos” HPA, NRPB, 2004.

9. ICNIRP, “Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetics fields (UP TO 300 GHz)”, HEALTH PHYSICS 74 (1998).

10. ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL DEL TRABAJO. , “Enciclopedia de Salud y Seguridad en el Trabajo”. Cap. 49. 3ra Edición.

11. SUAREZ R, et Al., “Fuentes emisoras de radiaciones o campos electromagnéticos no ionizantes de uso médico”, Instituto Nacional de Salud de los Trabajadores, Revista Cubana de Higiene Epidemiológica (2000).

12. DIRECCION DE SALUD AMBIENTAL., “Diatermia de onda corta, directrices para limitar la exposición a radiofrecuencias”. Ministerio De Salud y Bienestar de Canadá.

13. WILEN J., “Exposure assessment of electromagnetic fields near electrosurgical units. Bioelectromagnetics”. (2010).

AGRADECIMIENTOS

A los profesionales, técnicos y estudiantes de

INICTEL-UNI; DIGESA; FIEE-UNMSM; FIA-UNI. Correspondencia: [email protected] Recepción de documentos: junio 2014 Aceptación de documentos: agosto 2014

CONTROL DE PARÁMETROS OPERATIVOS PARA OPTIMIZAR EL FUNCIONAMIENTO DE LA RED PRINCIPAL DE

TRANSPORTE Y DE DISTRIBUCIÓN DE GAS NATURAL SECO DEL PROYECTO CAMISEA I

THE CONTROL OF OPERATIONAL PARAMETERS TO GET AN

EFFICIENT PERFORMANCE OF THE MAIN NET OF TRANSPORT AND DISTRIBUTION OF DRY NATURAL GAS OF

CAMISEA I PROJECT

Víctor Alfredo Aybar Chávez1

RESUMEN

Los sistemas actuales de transporte y distribución de gas natural seco correspondientes al proyecto Camisea I, mueven millones de pies cúbicos diarios de este hidrocarburo; su capacidad y confiabilidad operativa repercuten en el consumidor final. La operación o el funcionamiento adecuado de ellos permiten obtener un aprovechamiento eficiente de este recurso. El trabajo tiene como objetivo demostrar que, a través del control sobre determinados parámetros operativos (específicamente, valores de presión y flujos de consumo de gas en puntos clave del sistema), es posible obtener un funcionamiento eficiente de la red principal (representado por el consumo de combustible de las estaciones de compresión). Todo ello, garantizando el libre acceso de los usuarios y cumpliendo con las condiciones contractuales entre los miembros que conforman la cadena de valor del gas.

Palabras clave.- Gas natural, Transporte, Distribución, Optimización, Modelo, Costos mínimos, Presión, Flujo.

ABSTRACT

Current piping systems for transportation and distribution of dry natural gas in the Camisea I, project, involve the movement of millions of cubic feet of natural gas daily. Their capacity and operational reliability affect the final consumers. Their adequate operation and performance allows obtaining an efficient use of this resource. The objective of this work is to demonstrate that, through the control of certain operational parameters (specifically, values of pressure and flow of gas consumption in key points of the system), it's possible to get an efficient performance of the net (represented by users fuel consumption of the compressor stations). All of this, assumes free access of the users, and complying with contractual conditions among the members that conform the value chain of gas market. Key words.- Natural gas, Transportation, Distribution, Optimization, Model, Minimum costs, Pressure, Flux.

INTRODUCCIÓN

De las fuentes de gas natural que existen en nuestro país, la que se halla en Camisea se constituye como

la mayor esperanza energética del Perú, pues, debido a su magnitud permite y permitirá ahorrar otros tipos de combustible, al mismo tiempo que favorecerá a la creación de industrias paralelas,

________________________________________________________________________________________ 1Ms, Ingeniero Mecánico-Electricista de la Universidad Nacional de Ingeniería. Supervisor de la Gerencia de Fiscalización de Gas natural de OSINERGMIN.

como la petroquímica. Asimismo, provee energía limpia y barata en el corto y mediano plazo, de manera que se logre revertir el déficit en la balanza comercial de hidrocarburos, al sustituir paulatinamente las importaciones por las exportaciones. El uso racional de este energético es un tema de vital importancia para el desarrollo de nuestro país. Este trabajo tiene como objeto demostrar que es posible controlar ciertas condiciones operativas de la red principal de los sistemas de transporte y distribución de gas natural del proyecto Camisea I, de manera que se obtenga un funcionamiento óptimo en conjunto.

PROBLEMÁTICA

En nuestro país, el control del flujo y presiones a través de los gasoductos se realiza de forma no coordinada, esto es, los transportistas y distribuidores se dedican a entregar gas enfocados en minimizar sus gastos operativos (consumo de combustible de sus estaciones de compresión, anulando la posibilidad de realizar venteos operativos) de forma independiente. En trabajos de investigación desarrollados en otros países [1, 2], para redes de gas ficticias y complejas, se ha concluido que es posible reducir al mínimo los costos de consumo de combustible de las estaciones de compresión si se considera su funcionamiento integrado. Estos hechos ponen de manifiesto que la actual operación que se practica en la red principal puede volverse eficiente y que, por tanto, resulta relevante optimizarla, toda vez que existen herramientas que permiten ello (basados en el control de parámetros operativos). En ese contexto, es que la presente investigación se desarrolló en el ámbito de dicha red acoplada (transporte más distribución).

MODELO MATEMÁTICO

Para describir las ecuaciones a utilizar, tomemos como referencia el gráfico mostrado en la Figura 1. En dicha figura, sean i, j un par de nodos que limitan los extremos de un ducto, N el total de nodos presentes en la red (el n de la figura sería el n-ésimo nodo), A el conjunto de arcos en la red, Ap el conjunto de arcos ductos y Ac el conjunto de arcos donde existen compresores (A = Ap U Ac).

Fig. 1 Configuración de red referencial. El balance de flujo de masa en cada nodo se calcula mediante la diferencia entre la cantidad que sale y la que entra, resultando así el flujo nodal neto dado por bi, i ∈ N. Un valor positivo (negativo) de bi indica que el nodo i es fuente (demanda), si bi es igual a cero quiere decir que se trata de un nodo de paso. Una red balanceada cumple con .0=∑

∈Niib Así, se tiene

la siguiente ecuación para los flujos másicos xij:

( ){ } ( ){ }i

Aijjji

Ajijij bxx =− ∑∑

∈∈ ,,

, Ni ∈ (1)

El flujo de gas natural a través de cada ducto es una restricción de igualdad no lineal, la cual representa la relación entre las presiones (p) en sus extremos y el flujo. Esta ecuación es la relación más importante determinada por Osiadacz [3], y es válida para gases de alta presión, como en este caso: 222

ijijji xCpp =− , pAji ∈),( (2)

En esta relación, Cij es la resistencia del ducto, la cual se representa por la siguiente ecuación:

5d

TfLKZSC g

ij = (3)

Donde K es una constante adimensional que toma el valor de 1,3305x105 (para el sistema métrico inglés), Z es el factor de compresibilidad, Sg es la densidad relativa del gas, T es la temperatura absoluta del fluido, f es el factor de fricción del tubo, L es la longitud y d es el diámetro interior del ducto.

Por el lado de las estaciones de compresión, sus dominios de operación están definidos por un espacio (qij, hij, sij), entre dos nodos ij que conforman un arco compresor, basado en las variables de decisión que el operador de la red conoce directamente, a saber [4]: qij: Tasa interna del flujo volumétrico en el compresor (i,j); (i,j) ∈ Ac hij: Cabeza adiabática del compresor (i,j); (i,j) ∈ Ac sij: Velocidad del compresor (i,j); (i,j) ∈ Ac

El dominio de operación factible de un compresor, denotado por Dunit(i,j), es dado por las siguientes desigualdades:

U

ijijL

ij SsS ≤≤ (4)

U

ijij

ijLij R

s

qR ≤≤ (5)

A su vez, hij, qij y sij se relacionan de la siguiente forma:

32

2

+

+

+=

ij

ijH

ij

ijH

ij

ijHH

ij

ij

s

qD

s

qC

s

qBA

s

h (6)

Donde AH, BH, CH y DH son coeficientes que se asumen conocidos, los cuales dependen del tipo de compresor [5] y se estiman típicamente por el método de mínimos cuadrados. Sij

L y SijU son

parámetros conocidos que representan la velocidad mínima y máxima del compresor (i,j), respectivamente. Rij

L y RijU representan la razón

mínima y máxima de qijL/sij

L (surge) y qijU/sij

U (stonewall) para el compresor (i,j), respectivamente. Qij

L y QijU son parámetros que

indican las cotas mínimas y máximas de la tasa de flujo del compresor (i,j), respectivamente. Para cada qij en este rango, hij es acotada inferiormente tanto por Sij

L como por RijU, y acotada

superiormente por SijU y Rij

L. En un análisis realizado desde la perspectiva de la optimización de redes, se llegó a la determinación de que es preferible trabajar en un espacio de operación factible definido por las variables de decisión (xij, pi, pj), ya que el flujo másico xij se conserva en cada nodo. Por lo tanto, la relación del

dominio definido por (qij, hij, sij) y el dominio Dunit

(i,j) en el espacio (xij, pi, pj) se obtiene de un mapeo representado por las siguientes ecuaciones:

−

= 1

m

i

jSij p

p

m

ZRTh (7)

i

ijSij p

xZRTq = (8)

Donde los siguientes parámetros se asumen conocidos: Ts: Temperatura del gas natural Z: Factor de compresibilidad del gas natural R: Constante del gas natural m: Coeficiente específico de calor (m = k-1 / k; k = 1,297). Sea:

m

βα = , donde β=ZRTS (9)

Para acotar el dominio de operación factible se obtienen las siguientes restricciones [6, 7]:

( )

≥

−

Lij

i

ij

Lij

m

i

j

S

p

x

Sp

pβ

φα 21

(10)

( )

≤

−

Uij

i

ij

Uij

m

i

j

S

p

x

Sp

pβ

φα 21

(11)

( ) ( )Lij

Lij

m

i

j RSp

pφα 2

1 ≥

−

(12)

( ) ( )Uij

Uij

m

i

j RSp

pφα 2

1 ≤

−

(13)

En virtud de ello, el modelo que representa el dominio de operación de una estación compresora es:

D’(i,j) = { (xij, pi, pj): pi

L ≤ pi ≤ piU, donde (10),

(11), (12) y (13) se cumplen} (14)

Fig. 2 Frontera de operación factible D’ definido

por (10), (11), (12) y (13).

La función de consumo y que se busca minimizar es la considerada en [4], la cual puede definirse en base al espacio (xij, pi, pj) como sigue:

η

−

=

1

),,(),(

m

i

jij

jiijji

p

pcx

ppxg (15)

Con:

m

ZRTc Sα= (16)

Donde α es una constante positiva, la cual por simplicidad se supone igual a 1, ya que el gas que se está manejando es de alta presión. La eficiencia adiabática es representada por η, y está dada por la siguiente ecuación:

32

+

+

+=

ij

ijE

ij

ijE

ij

ijEE s

qD

s

qC

s

qBAη (17)

Donde AE, B

E, C

E y D

E son coeficientes que

dependen del tipo de compresor [5], y son estimados por el método de mínimos cuadrados.

Elementos del modelo De los estudios realizados por Villalobos, Borraz y Ríos-Mercado, podemos plantear las restricciones asociadas a la operación de una red de gasoductos. Para ello, primero se enumeran los elementos que conforman el modelo de una red de gasoductos: Conjunto de nodos (N), dividido a su vez en tres subconjuntos.- nodos fuente (Nf - centros de suministro donde se inyecta el gas al sistema), nodos demanda (Nd - puntos donde se requiere el gas) y nodos de paso (Np - donde no se suministra ni consume gas. Conjunto de arcos en la red (A), dividido en dos subconjuntos.- arcos ductos (Ap - arcos por donde se transporta el gas) y arcos compresores (Ac - arcos donde se encuentra una estación compresora). Límites de presión en cada nodo.- presión mínima en el nodo i (pi

L), presión máxima en el nodo i (pi

U). Flujo neto en cada nodo (bi).- cantidad de flujo que se inyecta en los nodos suministro (bi > 0 si i ∈ Νf) y cantidad de flujo que se requiere en los nodos de demanda (bi < 0 si i ∈ Νd). Propiedades físicas de cada ducto.- constante del ducto (C), factor de fricción (f), longitud del ducto (L) y diámetro interior (d). Propiedades físicas del gas natural.- factor de compresibilidad (Z), gravedad específica (Sg), temperatura promedio (T) y la constante del gas (R). Restricciones Las limitaciones que se imponen a los valores que pueden tomar los parámetros operativos de la red se enumeran en las siguientes restricciones: Capacidad del flujo de gas en cada ducto (Uij) ).- flujo máximo que puede pasar por cada ducto, el cual depende de sus características geométricas.

ijij Ux ≤≤0 , pAji ∈),(

Rango de presión permisible.- los límites inferior y superior de la presión para cada nodo de la red son establecidos en los contratos entre los concesionarios y el Estado y/o los consumidores. La restricción que los define se muestra a continuación:

Uii

Li ppp ≤≤ , Ni ∈

Límites de operación en cada compresor.- Estos límites definen el dominio en el cual el compresor puede operar en la industria, y ya fueron descritos anteriormente:

),('),,( jijiij Dppx ∈ , cAji ∈),(

Suposiciones Para resolver el problema de minimización de consumo de combustible se asume lo siguiente: − El modelo de flujo es unidimensional. − El problema está en estado estable. − La red está balanceada. − Se considera un sistema isotérmico. − La dirección de los flujos se conoce de

antemano, al tratarse de una red tipo árbol. − En cada estación compresora se establece un

número fijo de unidades compresoras. − Las unidades compresoras que se manejan en

cada estación son centrífugas, idénticas e instaladas en paralelo.

MARCO NORMATIVO

Las leyes, normas, reglamentos y/o contratos que rigen el funcionamiento de los sistemas de transporte y distribución de gas natural en nuestro país, y que se consideran para la elaboración del modelo, son las siguientes: − Ley de promoción del desarrollo de la industria

del gas natural, y su reglamento − Reglamento de transporte de hidrocarburos por

ductos − Reglamento de distribución de gas natural por

red de ductos − Contratos BOOT (build, own, operate and

transfer) de transporte y distribución de gas natural seco

− Contratos de prestación de servicio entre los agentes que conforman la cadena de valor del gas

MÉTODO DE SOLUCIÓN

Los componentes básicos del método de solución pueden describirse de manera general como sigue:

Programa computacional a utilizar.- Se utiliza el GAMS 23.9.2. Pre-procesamiento.- Técnica que tiene dos objetivos fundamentales: Refinar las cotas del dominio de operación factible de las variables, y reducir el tamaño de la instancia de red sin alterar su estructura matemática. Asignación de flujos.- Dada la topología del sistema de transporte y distribución que abordamos, es posible obtener un conjunto de flujos factibles iniciales, de manera eficiente, en base en una técnica de asignación “hacia atrás”. Solución óptima de las variables de presión.- Se encuentra un conjunto de presiones óptimas aplicando una técnica de programación dinámica no secuencial (para el conjunto de flujos factibles obtenido en la fase anterior). Bajo los fundamentos teóricos encontrados en Borraz (donde se demuestra que en topologías no cíclicas existe una única manera de asignar los flujos), en esta fase obtenemos soluciones óptimas globales. APLICACIÓN EN EL SISTEMA OBJETIVO

La red principal de gas natural está conformada por dos grandes sistemas: la red de transporte (cuyo propietario es Transportadora de gas del Perú – TGP) y la red de distribución en Lima y Callao (cuyo propietario es Gas Natural de Lima y Callao – Cálidda). Ver Fig. 3

Fig. 3 Esquema del sistema de transporte de TGP y Cálidda. Los componentes de ambos sistemas, vía red principal, son los siguientes. Ver Tabla 1 y 2:

Tabla 1. Componentes del sistema de transporte.

Nodo Nº Tipo de componente

Ubicación aproximada, en progresivas kilométricas

Principales características

1 Inicio de ducto de transporte 0,0 Ubicado en Malvinas

2 Tramo selva Inicio: 0,0 Fin: 211,0 Ducto de acero de φ32”

2-3 Estación de compresión 211,0 4 compresores marca Dresser-Rand, modelo D10R3S

3-5 Tramo sierra Inicio: 211,0

Fin: 519,0 Ducto de acero de φ24”

5-10 Tramo costa Inicio: 519,0


27-30-29

Loop costa Inicio: 595,0


2-31 Ducto hacia Pampa

Melchorita Inicio: 210,5 Ducto de acero de φ34”; long. aprox.

408,1 km

5-32 Ducto hacia planta de

fraccionamiento Inicio: 519,5 Ducto de acero de φ8”; long. aprox.

40,4 km.

9 Derivación EGESUR -

EGASA 528,6

Longitud despreciable

6 Derivación DUKE ENERGY 699,7 Longitud despreciable

7 Derivación ENERSUR 700,0 Longitud despreciable

8 Derivación KALLPA 701,0 Longitud despreciable

Tabla 2. Componentes del sistema de distribución.

Nodo Nº Tipo de componente

Ubicación aproximada,

en progresivas kilométricas

Principales características

10 Brida de inicio de sistema de

distribución 0,0 Entrada al city gate (Lurín)

10-11 City gate 0,0 4 compresores marca Ariel, modelo JGK/4

11-26 Ducto principal Inicio: 0,0 Fin: 67,5 Ducto de acero de φ20”

12 Derivación a ERP Lurín San Lorenzo

1,0

Para la derivación hacia las estaciones de regulación principales, los ductos de conexión son de longitud despreciable con respecto al ducto principal de alta presión

13 Derivación a ERP Pachacútec

14,0

14 Derivación a ERP Surco

26,0

15 Derivación a ERP La Victoria 31,0

16

Derivación a ERP Carretera Central

37,0

17

Derivación a ERP Ramiro Prialé 39,0

18

Derivación a ERP El Agustino 40,0

19 Derivación a ERP Parques de El

Agustino 41,0

20

Derivación a ERP Edegel 42,0

21

Derivación a ERP Edegel 2 42,5

22

Derivación a ERP Maquinarias 50,0

23

Derivación a ERP Funcal 53,0

24

Derivación a ERP Gambeta 61,0

25 Punto de paso por Terminal Station 62,0 Punto de control de flujo volumétrico, según contrato BOOT

26 Llegada a ERP Etevensa 67,0 Punto final del ducto de la red principal

La configuración de nodos, tuberías y estaciones -topología-, utilizada para la simulación, lo

podemos ver en la Figura 4, (los círculos representan los nodos):

Fig. 4 Topología de la red a modelar.

Condiciones de contorno

Estas condiciones están definidas por las

capacidades del flujo de gas en cada ducto, el rango de presión permisible y los límites de operación en cada compresor. Ver Tabla 3 y 4.

Tabla 3. Capacidad del flujo de gas en cada ducto del sistema a modelar.

Arco

Capacidad (MMsPCD)

Arco

Capacidad (MMsPCD)

Arco

Capacidad (MMsPCD)

1-2 1150 30-29 1150 16-17 255 2-31 650 29-6 1150 17-18 255 3-4 1150 6-7 1150 18-19 255 4-5 1150 7-8 1150 19-20 255 5-32 1150 8-10 1150 20-21 255 5-9 1150 11-12 255 21-22 255 9-27 1150 12-13 255 22-23 255 27-28 1150 13-14 255 23-24 255 28-29 1150 14-15 255 24-25 255 27-30 1150 15-16 255 25-26 255

Tabla 4. Límites de presión máximo y mínimo en cada nodo del sistema a modelar (en bar-a).

Nodo Presión máxima

Presión mínima Nodo Presión

máxima Presión mínima

1 a 9 147 40 21 50 32 10 120 40 22 50 20 11 50 32 23 50 6 12 50 6 24 50 11 13 50 11 25 50 32 14 50 11 26 50 32 15 50 20 27 147 40 16 50 11 28 147 40 17 50 11 29 147 40 18 50 11 30 147 40 19 50 6 31 147 81 20 50 32 32 147 70

Condiciones iniciales Como datos de entrada para el modelo a implementar consideramos a los flujos volumétricos demandados por los consumidores o ERP’s presentes en la red. Para poder aplicar el esquema numérico en el sistema deseado, se

consideraron demandas reales correspondientes a diez (10) días operativos. Dichos parámetros operativos están disponibles en las páginas web de los concesionarios y de OSINERGMIN [8, 9, 10]. A modo de ejemplo, se muestra a continuación los escenarios de tres días en la Tabla 5.

Tabla 5. Flujos volumétricos considerados en tres escenarios, para proceder con la simulación del modelo numérico.

Nodo Tipo Flujo neto (MMsPCD)

Escenario del 26/11/2012



1 Oferta 1042,86 988,25 1018,72 2 Paso 0.00 0.00 0.00 3 Paso 0.00 0.00 0.00 4 Paso 0.00 0.00 0.00 5 Paso 0.00 0.00 0.00 6 Demanda 21,28 0.00 28,92 7 Demanda 115,41 95,55 56,36 8 Demanda 75,82 52,59 120,28 9 Demanda 10,65 13,64 11,54 10 Paso 0.00 0.00 0.00 11 Paso 0.00 0.00 0.00 12 Demanda 7,79 11,86 8,09 13 Demanda 7,79 11,86 8,09 14 Demanda 7,79 11,86 8,09 15 Demanda 7,79 11,86 8,09 16 Demanda 7,79 11,86 8,09 17 Demanda 7,79 11,86 8,09 18 Demanda 10,06 9,06 7,62 19 Demanda 7,79 11,86 8,09 20 Demanda 11,61 0.00 0.00 21 Demanda 14,23 0.00 0.00 22 Demanda 19,91 24,37 20,13 23 Demanda 7,79 11,86 8,09 24 Demanda 7,79 11,86 8,09 25 Paso 0.00 0.00 0.00 26 Demanda 69,23 58,21 74,12 27 Paso 0.00 0.00 0.00 28 Paso 0.00 0.00 0.00 29 Paso 0.00 0.00 0.00 30 Paso 0.00 0.00 0.00 31 Demanda 609,99 609,99 609,99 32 Demanda 14,56 18,1 16,95

Los valores anteriores se mantendrán constantes en la simulación, asumiendo el cálculo para estado estable. Otras variables que requieren de un valor inicial para poder efectuar las iteraciones dentro del cálculo, son:

Para cada nodo.- Presión. Para las estaciones de compresión.- Cabeza adiabática, velocidad de rotación, relación entre el flujo volumétrico y la velocidad, capacidad de transporte de gas en la estación, eficiencia, y costo de consumo de combustible.

Los valores iniciales para estas variables será el promedio aritmético de los límites superior e inferior que puedan tener. Este valor se irá recalculando a medida que se ejecutan las iteraciones del modelo.

RESULTADOS

Aplicación en el sistema optimizado A continuación se muestran los resultados obtenidos para la topología objetivo, en la condición de sistema optimizado.

Tabla 6. Consumo de combustible mínimo por arco compresor y total, en W.

Escenario N° iteraciones Arco compresor 2.3

Arco compresor

10.11 Consumo total

26/11/2012 40 9,574.0 5,426.6 15,000.7 01/11/2012 23 8,327.4 5,470.0 13,797.4 15/10/2012 29 9,043.2 5,162.2 14,205.4 01/10/2012 23 8,185.4 5,241.6 13,427.0 15/09/2012 34 12,039.4 17,068.6 29,108.0 01/09/2012 28 9,090.8 14,930.6 24,021.4 15/08/2012 35 9,553.6 12,991.6 22,545.2 01/08/2012 37 11,565.1 15,284.4 26,849.5 15/07/2012 27 9,166.2 9,107.1 18,273.3 01/07/2012 27 10,691.0 5,891.7 16,582.7

Fig. 5 Gráfico de consumo de combustible (en W) a través de los escenarios.

En la Tabla 6 y Figura 5, se puede observar que el consumo mínimo es relativamente estable en el tiempo para el ducto de transporte, y con más

variaciones en el de distribución, siendo éste finalmente quien determina la variación del consumo total a través del tiempo.

Tabla 7. Eficiencia de cada arco compresor, en %.

Escenario Arco compresor 2.3

Arco compresor 10.11

26/11/2012

80.8

73.4

01/11/2012

81.2

73.9

15/10/2012

80.8

70.0

01/10/2012

81.7

71.1

15/09/2012

85.2

61.1

01/09/2012

82.5

61.0

15/08/2012

81.4

61.0

01/08/2012

85.2

61.1

15/07/2012

82.6

61.1

01/07/2012

84.0

77.6

Fig. 6 Gráfico de variación de la eficiencia (en %) para las estaciones de compresión. en estado de optimización.

En la Tabla 7 y Figura 6, se puede deducir que la estación de transporte trabaja con una eficiencia mayor a la de distribución. Si esto lo relacionamos con el consumo de combustible que tienen las

estaciones, se puede afirmar que el consumo de la estación de distribución está en el orden de la estación de transporte debido a que es menos eficiente que ésta.

Fig. 7 Gráfico de la variación de presión a lo largo de todos los nodos (en bar-a), para el escenario del 26/11/2012.

De la Fig. 7, la cual mantiene la tendencia a través de los diez escenarios simulados, se deduce que el nodo crítico dentro de la operación global de la red principal está alrededor del número 10-11, lo que corresponde al city gate de Lurín. Dentro de los resultados del sistema optimizado, se encontró que en varios de los escenarios, la presión en el nodo 10 se sitúa en 40 bar-a, cuando la presión permitida normativamente debe de estar comprendida en el rango de 40 a 120 bar-a. Aplicación en el sistema no optimizado

Un sistema no optimizado significa que no trabaja en condiciones óptimas de asignación de presiones en los nodos de la red, con el mismo supuesto de requerimientos volumétricos (en condiciones estándar) en los puntos de demanda. Con la finalidad de contar con presiones reales de referencia, se utilizaron los reportes operativos del transportista y distribuidor disponibles en las páginas web indicadas en [8, 9 y 10], tomando como datos aquellas presiones correspondientes a los nodos N° 1, 5 y 11 (Malvinas, Humay y salida del City Gate, respectivamente).

Con estas presiones y los flujos másicos como dato, se pasó a calcular aguas abajo o aguas arriba, según convenga, los valores de presión de los demás nodos, utilizando para ello la ecuación de flujo de gas a través de ductos; una vez teniendo definidos los flujos y presiones, y de la mano con la información sobre el dominio de operación de los compresores, se procedió a calcular el costo asociado a su funcionamiento. Los resultados para este sistema se muestran en la Tabla 8. Comparación y análisis entre el sistema optimizado y el no optimizado Una vez obtenidos los resultados, podemos apreciar que, para iguales valores de flujos y demás características físicas de los componentes de la red, existen diferencias en los valores de presión (que cumplen con la normativa vigente) y de consumo de combustible total para todo el sistema. Las diferencias en consumo de combustible se resumen a continuación:

Tabla 8. Resumen de resultados del consumo de combustible total entre el sistema optimizado y el no optimizado (en W).

Escenario Sistema optimizado

Sistema no optimizado Diferencia relativa

26/11/2012 15,000.7 39,718.0 62.23% 01/11/2012 13,797.4 31,755.2 56.55% 15/10/2012 14,205.4 33,387.7 57.45% 01/10/2012 13,427.0 27,990.1 52.03% 15/09/2012 29,108.0 38,520.6 24.44% 01/09/2012 24,021.4 25,462.6 5.66% 15/08/2012 22,545.2 36,013.7 37.40% 01/08/2012 26,849.5 34,974.6 23.23% 15/07/2012 18,273.3 24,823.7 26.39% 01/07/2012 16,582.7 34,747.9 52.28%

De esta Tabla, se observa que la diferencia entre ambos sistemas se da para todos los escenarios, con diferencias relativas de considerable magnitud, las cuales están dentro de un promedio de 39,7%. Esto quiere decir que esta herramienta demuestra que es posible controlar los valores de presiones, dentro de los rangos establecidos técnica y normativamente, para distintos escenarios de demanda, que reduzcan al mínimo el consumo total de combustible de las estaciones compresoras existentes en la red y anulando el venteo operativo, procurando así su funcionamiento eficiente. Ello, siempre y cuando se considere al transporte y distribución de gas natural como un todo, un sistema global.

CONCLUSIONES Mediante el modelo elaborado, se demostró que a través del control adecuado de parámetros operativos (presiones y volúmenes demandados) se optimiza el funcionamiento de la red principal de transporte y de distribución de gas natural seco del proyecto Camisea I, como resultado de la minimización del consumo de combustible de las estaciones compresoras en conjunto.

Utilizando los softwares proporcionados por los fabricantes de los comprensores, se obtuvieron determinados parámetros operativos que permitieron estimar a través del método de mínimos cuadrados los coeficientes de las ecuaciones que relacionan la eficiencia, la cabeza adiabática, el caudal volumétrico y la velocidad de rotación de estos equipos. Dentro de la topología modelada no se consideró ningún punto de demanda asociado a los venteos operativos, por lo que el sistema optimizado es factible sin la necesidad de efectuar estos venteos. Es necesario incluir las condiciones de entrega del gas natural al transportista como parte del proceso de optimización, ya que la presión en el punto de recepción influye directamente en el consumo de combustible del sistema de compresión del ducto de transporte. El city gate de Lurín se constituye como una zona crítica dentro de la red, toda vez que sus parámetros operativos fluctúan cerca del límite establecido por las normas aplicables.

AGRADECIMIENTOS A los docentes de Postgrado FIM y a los revisores de este trabajo, por haberse dado tiempo dentro de las innumerables actividades académicas y profesionales a que se dedican, para brindarme parte sus invalorables conocimientos en la estructuración del trabajo. Asimismo, a Omar por haberme brindado las facilidades para la obtención de la neurálgica información que se necesitó para la aplicación del modelo desarrollado en este trabajo.

REFERENCIAS 1. R. Ríos-Mercado, D. Cobos-Zaleta, "A

MINLP Model for a Minimizing Fuel Consumption on Natural Gas Pipeline Networks". Artículo técnico. Memorias del XI Congreso Latino Iberoamericano de Investigación de Operaciones, Chile, 2002.

2. R. Ríos-Mercado, S. Kim, E. Boyd, "Efficient Operation of Natural Gas Transmission Systems: A Network-Based Heuristic for Cyclic Structures". Artículo técnico. Texas, Institute of Information.

3. Osiadacz, J., "Simulation and Analysis of

Gas Networks". Artículo técnico. Gulf Publishing Company, EE.UU, 1987.

4. Borraz, Conrado, "Una metodología de solución basada en programación dinámica no secuencial y búsqueda tabú para la operación eficiente de sistemas de transporte de gas natural en estado estable". Tesis de maestría. Universidad Autónoma de Nueva León, México, 2004.

5. http://turbocalc.dresser-rand.com/ 6. Villalobos Morales, J., "Preprocesamiento de

un problema de optimización de redes de gas natural". Tesis doctoral. Universidad Autónoma de Nueva León, México, 2002.

7. Flores Villarreal, H. , "Operación eficiente de sistemas de transporte de gas natural mediante el método de gradiente reducido generalizado". Tesis de maestría. Universidad Autónoma de Nueva León, México, 2005.

8. http://www.calidda.com.pe/ 9. http://gasnatural.osinerg.gob.pe/contenidos/

empresas_sector/ 10. http://www.tgp.com.pe/resumen/Default.aspx Correspondencia: [email protected] Recepción de originales: setiembre 2014 Aceptación de originales: octubre 2014

ARQUITECTURA INCA A TRAVES DE SUS TEXTILES PERU– FAUA/UNI

INCA ARCHITECTURE THROUGH YOUR TEXTILES

PERU- FAUA / UNI

Walter Gonzales Arnao1

RESUMEN Proponemos una mirada a los textiles incas como soporte planímetro de su territorio e inducir a reflexionar sobre las probables aplicaciones de los textiles incas en arquitectura y poner en evidencia a los ojos de los diseñadores, arquitectos e ingenieros, la hipótesis del valor y aplicación de los textiles incas en la representación planimetría de la tridimensionalidad del mundo material como lo concebían. Ensayar ideas sobre los usos del arte de los telares y su influencia en la arquitectura Inca. Utilizar este conocimiento milenario es un instrumento de inspiración de los futuros arquitectos. Palabras clave.- Arte textil inca, Arquitectura, Revalorar tecnología textil originaria, Reflexión estética textil, Aplicación actual como inspiración.

ABSTRACT We propose a look at incas textiles and planimetric support of its territory an Inducing reflection on the possible applications of textiles in architecture incas, and bring out the eyes of designers, architects and engineers with the hypothesis of the value and application of incas textiles in representing three-dimensional surveying of the material world as conceived. Test ideas about the uses of the art of weaving and its influence on Inca architecture. Use this ancient knowledge an instrument of inspiration for future architects. Key words.- Inca textile art, Architecture, Textile technology reassessment, Aesthetic reflection textile, Current application as inspiration.

INTRODUCCION

La producción textil en la cultura inca tuvo una relevante aplicación, según las crónicas españolas y las ilustraciones de Felipe Guamán Poma de Ayala, donde hay un consenso según las investigaciones de los antropólogos, en la función que cumplían de simbolizar estatus, estirpe, región de procedencia e información no decodificada de los tocapus, también eran usados como preciados objetos de intercambio, así mismo se reconoce el alto valor que le daban en ceremonias y negociaciones diplomáticas entre las naciones para cerrar acuerdos. Según las crónicas se afirma que a la muerte de cada inca se negociaba nuevamente y se renovaban los acuerdos y se sellaban con

intercambio de mantos. Los estudios del Arq. Carlos Milla V. sobre la iconografía sagradas andina, se puede notar como síntesis de la utopía y cosmovisión reflejados en los textiles, cerámicos y arquitectura. Asimismo, el Arq. C. Enrique Guzmán García, deslizó el concepto donde “trama y el urdiembre de los telares textiles”, corresponden al trazado del emplazamiento de los andenes incas en el Valle Sagrado del Huatanay al oeste del Cusco (TICAPATA – LARAPA Y PATA PATA), donde literalmente identifica una intensión adrede y hace notar que son el resultado de todo un diseño previo. Así mismo el Arq. Adine Gavazi, menciona que el paisaje como texto y tejido como binomio, es inseparable en la cultura

________________________________________________________________________________________ 1Arq. Docente investigador de la Facultad de Arquitectura, Urbanismo y Artes de la Universidad Nacional de Ingeniería.

andina y amazónica del Perú [1]. La dimensión que realmente tuvieron los textiles, incluidos los quipos incas, no han sido decodificados totalmente, a todas luces las claves para comprenderlos se perdieron en la conquista. En este sentido la ingeniería tal como la conocemos, a través de las matemáticas tiene mucha relación con las matrices generadas de los textiles y sus correlaciones iconográficas recreadas en los tocapus. También desde el punto de vista del diseño como lo conocemos en la elección del color para la urdiembre, el tipo de hilo empleado, así como el punto de la textura y finalmente la geometría compleja empleada, implica un alto nivel de abstracción en composición, si lo analizamos desde el punto de vista de la estética, como si fuera un lienzo de caballete, esta interpretación no es la aproximación correcta. Esta aproximación a la arquitectura a través de los telares, nos plantea interrogantes muy importantes para la ingeniería y arquitectura, como si efectivamente los mantos fueron usados como representación planimetría de la tridimensionalidad, reflejado en arquitectura. Los puentes colgantes tejidos con fibras vegetales le merecen especial atención a la arquitectura y la ingeniería donde usaron la tecnología de los telares, para resolver unos de los sistemas viales más eficientes del mundo antiguo, según el Dr. John A. Ochsendorf, del Instituto Tecnológico de Massachusetts especialista en arquitectura e ingeniería antigua, tales puentes cubrían más de 50 a 80 metros, de luz en quebradas verticales, solo en china y el Himalaya se construyeron algo parecido en el siglo 3 a.d.c, con cadenas de hierro en luces menores. El diseño de los tejidos en telares y la relación de lo unidimensional del hilo al bidimensional de los textiles y la tridimensionalidad de los puentes colgantes donde el denominador común es el trabajo de la tensión de la fibra natural, nos da un rumbo para comprender estas construcciones, sacando lecciones de ingenio y creatividad de estas obras y nos invita a establecer nexos aplicativos para problemas actuales y su relación con la arquitectura.

PLANIMETRÍA Y TRIDIMENSIONALIDAD DE LOS TELARES INCAS

Los planos y mapas de ingeniería y arquitectura que conocemos en la actualidad manejan convencionalismos que reconocemos, aceptamos y tienen consenso general, estas claves son los simbolismos que representamos en los planos para identificar las puertas, muros, niveles, caminos, etc. De la misma manera que para entender planos mapas de arquitectura y ingeniería se requiere de una formación técnica especializada. En las grandes civilizaciones e imperios de todas las épocas de la historia el manejo de la información de lectura de mapas, y levantamiento topográfico de emplazamientos humanos territoriales estuvo ligado a una rigurosidad y un uso militar por la importancia que significa conocer con precisión el territorio conquistado para poder controlarlo. Aplicando este criterio los incas tuvieron necesariamente que tener una representación planimetría de los territorios conquistados, es decir una suerte de planos o mapas que representaran sus dominios, caminos, etc. Los textiles son el soporte pertinente dado que los incas dominaron técnicas avanzadas, para poder representar geometrías complejas, abstractas y que muy bien podría representar lo más parecido a un plano o mapa, con claves o simbolismo que no se han descifrado aun. Adine Gavazzi. afirma “que los tejidos comunican un paisaje en miniatura y son realizados como mapas geométricos y geográficos que expresan un modo de representar un espacio similar a un texto y un código visual.Ya sea como texto que como tejido el paisaje es reconocido y mapeado componiendo muchos elementos” para este efecto pone como ejemplo “las salinas de Maras en el Valle de Cuzco donde juntan terrazas entretejida a altura diferentes en el paisaje (Fig.1), y la composición de las parcelas de cultivo siguen un criterio biomorfico reticular, que está presente desde épocas arcaicas en los textiles (Fig2)”, en resumidas cuentas la relación con el paisaje fue tratado como la aplicación de un urdiembre y una trama que forma un tejido en el territorio. A su vez el Arq. C. Enrique Guzmán, dice respecto a esta interpretación que -“los ejemplos a los que se refiere la arquitecta Gavazzi, son consecuencia de una superposición y adición natural de unas terrazas con otras y que a los ojos actuales de la arquitecta, hace esa comparación metafórica”.

Mientras que los ejemplos que el Arq. C. Enrique Guzmán, que menciona en su tesis, si se tratan de extensiones de andenes y terrazas diseñados deliberadamente, dice: “Ticapata-Larapa y Pata Pata”, parte de la expansión este del Cuzco, presenta terrazas que asemejan tejidos tanto llanos en cuadricula como escalonamientos intencionales tipo chacana….en el arte inca predomina el diseño geométrico, como se ve en la cerámica el arte textil y el labrado y tallado de las piedras”, la representación planimétrica literal del textil en arquitectura es confirmada en esta tesis [2]. La arquitectura y territorio pudieron haberse representado no solo en textiles, sino en otro medio (Guzmán 1998).

Fig. 1 Salares incas.

Fig. 2 Disposición territorial andina bajo el concepto de trama y urdiembre.

Los textiles o mantos incas como se puede apreciar tienen un trabajo que va más allá de los límites utilitarios de cubrirse del frio, y son un lienzo lleno de simbolismo sagrado y pragmático que contiene información geográfica de espacialidad y pertenencia regional, tal como postula Alejandro Vega Ossorio “que los símbolos de las vestimentas de las elites indicaban cada región que conquistaban o controlaban, asimismo agrega que se han identificado 294 diseños de tocapus que básicamente son pequeños cuadrados, distribuidos

cual tablero de ajedrez, las Acllas tejían prendas para la elite con tocapus”, con un alto nivel de abstracción simbólico, que dominaban. Según las crónicas el inca Wiracocha introduce la diferencia de vestimenta para diferenciar la región y estatus de procedencia esto incluye colores y iconografía, el uncu inca (Fig. 3) con los tocapus sufren modificaciones a la llegada de los españoles como se aprecia en el unco (Fig. 4 y Fig. 5), en esta últimas dos figuras, se observa imágenes que recrean aparentemente plantas y caminos, esto se podría explicar porque el extirpador de idolatrías prohibió el uso de iconografía inca que, los llamados uncos modificaron su simbología haciéndolas más figurativas.

Fig. 3 Unco inca-poncho.

Fig. 4 Unco virreynal-poncho.

Fig. 5 Unco republicano-poncho.

ARTE TEXTIL Y ARQUITECTURA-

INGENIERIA-ESPACIALIDAD “How the Inca Leapt Canyons” es el título del articulo del THE NEW YORK TIMES publicado el 08 de mayo 2007 por John Noble Wilford, que traducido al pie de la letra significa “Cómo el Inca Saltaba Cañones”, donde se da a conocer la experiencia de estudiantes del Massachusetts Institute of Technology, en la construcción de un puente colgante inca con el objeto de conocer la tecnología desarrollada, a base de un material (ichu o paja) que ha sido mantenido hasta nuestros días por la renovación anual de los pobladores Queswachaca - Cuzco. Mediante sus estudios del Dr. Ochsendorf, se ha podido analizar que “La Cultura Inca, fue la única antigua civilización americana que llegó a fabricar puentes colgantes”. Algunos puentes similares fueron también construidos en el siglo 3 a.d.c. en otras zonas montañosas del mundo, especialmente en el Himalaya y la China, pero fueron fabricados con cadenas de hierro. Y agrega que esta tecnología del empleo de fibras vegetales es única en su tipo, como una aplicación para cubrir luces grandes no era conocida en Europa. Esto explica el asombro intimidante que según las crónicas tenían los españoles al pasar por estos puentes colgantes que con el viento se agitaban como una hamaca gigante, sobre laderas verticales. En la imagen de la Fig. 6, se aprecia que la aves vuelan por debajo del puente dando una dimensión, de la profundidad del cañón.

Fig. 6 E. George Squier (Harper and Brothers)

Grabado, de "Perú: Incidentes de viaje y exploración en la Tierra de los Incas" Un puente colgante Inca en 1877 [3].

El análisis de la arquitectura inca se basa en el estudio de la piedra en compresión, poco se ha escrito sobre tracción de los puentes colgantes y su relación con la arquitectura e ingeniería salvo su utilidad en el Capac Ñan. Esta dualidad (compresión y tracción) de lo pétreo y ligero que se da en lo temporal de lo duradero de la piedra y la corta duración de esta fibra de estos puentes, nos invita a reflexionar sobre el papel del manejo de técnicas de izamientos en altura de pesadas mampostería, en geografía verticales. Es decir, el manejo y aplicación de la tridimensionalidad de la fibra y la versatilidad de su uso llevando al límite estructural en aplicaciones de ingeniería. Este manejo espacial de la fibra, se da también en el uso y lectura de los quipus, que definitivamente se leía tridimensionalmente, que era parte de cómo entendían el mundo [4]. Otro ejemplo emblemático es el trabajo en los mates burilados, que son superficies esféricas entorno al cual se desarrolla toda una suerte de comic donde cada imagen guarda relación con la anterior contando una historia que finaliza con una imagen tallada en la tapa, esta temporalidad espacial, mesclada con el mundo mágico de su cosmovisión, nos dice una manera de entender el espacio y tiempo, que se refleja en esta producción artística. El lienzo del pintor de caballete europeo no tiene esta espacialidad tridimensional porque trabaja en un plano, usando la perspectiva como recurso de manejar la tridimensionalidad. En el caso de las vestimentas textiles de los llamados Uncos, si bien es cierto su producción, era en telares planos, su diseño estaba pensado para vestimentas que una vez en el cuerpo del usuario tomaba un carácter tridimensional que era la manera cotidiana de ver estos trajes, de toda la población inca, esto nos induce a pensar que así como para entender un mate burilado tienes que rodearlo para conocer toda la historia, de la misma manera para conocer realmente al portador de la vestimenta tenías que rodearlo para reconocer toda la simbología que tenían estos Uncu, que como ya se preciso tiene significado. Entonces los textiles y lo tejidos del puente colgante encierran la conexión de cómo entendían y hacían arquitectura, porque visualizaban la tridimensionalidad en una forma diferente a la que nosotros la entendemos. Entonces los arquitectos

incas necesariamente tuvieron que recurrir a los textiles como una herramienta más para trabajar la arquitectura como la de Machupichu, que hasta hoy en día para levantar los planos de este santuario es complejo en una arquitectura que se confunde con la naturaleza y más aún si te encargan diseñar en pendientes más fuertes, como lo hicieron ellos. EXPERIENCIA CON JOVENES DE LA UNI

CON EL ARTE TEXTIL (TELARES) La iniciación de los alumnos en el dominio de estas técnicas, para luego expresar su sensibilidad estética, es compleja por las diferentes motivaciones que atrae el llevar el curso, pasando por los que realmente están interesados en dominar este arte, hasta los que lo llevan para completar créditos. (Ver Fig. 7).

Fig. 7 Ejercicios con telar de cintura. También se enfrentan al pensamiento que los telares o los tejidos es para mujeres, cuando es sabido que en los andes los hombres son los que ejercen esta práctica (ejemplo Taquile, selva peruana, etc.) (Ver fig. 8).

Fig. 8 Combinación de colores con las tecnicas del telar de cintura.

A este respecto puedo contar que un alumno del curso de telares fue objeto de burla por parte de su padre al verlo tejer en telar de cintura. Obligando a este alumno a realizar la práctica del telar a escondidas de sus padres y amigos. Este tipo de pensamiento que conduce a la poca valoración de esta producción artística se debe al nivel que ocupa en nuestra sociedad los llamados artesanos, que son practicadas por campesinos en los andes para su uso o para el turismo. Las matrices con sistemas binarios que se emplea para geometrizar los diseños, despierta el interés en los alumnos de la FAUA de la preparación matemática, donde se pone a prueba la complejidad de la técnica y los limites de diseño que pone el alumno, siendo una ventana creativa con mucho potencial en composición, donde se diseña desde el momento de seleccionar los colores de los hilos, texturas geometrías, concepto de diseño, etc. Esta versatilidad que tiene el telar peruano que hace en los jóvenes universitarios FAUA, despierta un interés especial. Otro de los aspectos que causó particular atención en los alumnos es su memoria colectiva en un sector de descendientes de provincianos que tenían familiares o conocían que habían trabajado en telares con técnicas incas o mestizas y que considero que esta es otra de las causas por la que el alumno se siente atraído por el curso.

TELAR PORTATIL Y FAB LAB, PARA LA ENSEÑANZA DE ARTES APLICADAS

PERUANAS El evento realizado en la UNÍ en la Facultad de Arquitectura Urbanismos y Artes, bajo la dirección del decano Luis Delgado Galimberti, el denominado ENCUENTRO INTERNACIONAL FAB 7 LIMA, convocó a expertos en diseño digital, abrió un espacio para desarrollar un modelo de telar portátil (ver Fig. 9), que es una manera de difundir (ver Fig. 10) nuestra cultura 5. Asimismo, se utilizó lo último en tecnología de diseño, es importante encontrar los caminos prácticos para sintetizas y simplificar nuestra legado cultural de toda la producción artística del Perú en todas las disciplinas, para difundir y peruanizar a los peruanos, algo como lo ocurrido con el arte gastronómico, que en la actualidad pasa por un buen momento que no tiene su reflejo en todas las artesanías de nuestro pueblo que vive un

congelamiento cultural, que han sido confinadas a “guetos culturales o reservaciones aisladas” con los llamados CITES, o Centros De Innovación Tecnológica que lo único que hacen es congregar y dar apoyo técnico y no proyectan en el tema del diseño ni cultura en el entorno regional [5].

Fig. 9 Telar manual para la enseñanza del telar

de cintura.

Fig. 10 Taller de telares con alumnos del segundo

ciclo. NOTA: La aplicación de la tecnología textil en la arquitectura no es novedad de los incas ya en Caral hace 5000 años lo usaron para construir edificios monumentales y garantizar estabilidad, con bolsas tipo maya de fibras vegetales llenas de piedras, llamadas shicras (como los gaviones en la actualidad). Según estas bolsas de piedra y los quipus encontrados en Caral, por Ruth Shady queda demostrado la larga tradición textil en la construcción y la cultura peruana que es la síntesis de más de 14 civilizaciones desarrolladas, que culminaron con los incas, donde se produce el quiebre cultural, con la conquista y que genero un

congelamiento de estas artes y tradiciones constructivas.

CONCLUCIONES El arte textil prehispánico cumplió la función de soporte planimétrico de la tridimensionalidad territorial y arquitectura, que en la actualidad también se manifiesta en los textiles de la cultura popular peruana. Los tocapus de los uncos incas ponen en evidencia un claro dominio y un elevado nivel de abstracción que induce a pensar que pudieron ser un tipo de codificación o claves que representaba territorio y su cosmovisión mágico religioso en los textiles. La tecnología de los telares, reflejados en los sistemas de isaje de mampostería de piedra en geografías verticales, así como en los puentes colgantes prehispánicos, fue importante en la arquitectura, civil, militar y religioso de la cultura inca. Los arquitectos incas conocieron la tecnología textil y lo utilizaron como herramienta para facilitar su trabajo, en lo que hoy llamaríamos proceso de proyección del diseño, en una clara concepción diferente a la que trajeron los europeos. El arte textil con técnicas ancestrales de producción artística, pueden servir como un medio de expresión y/o comprensión, estética de los jóvenes estudiantes de arquitectura, aplicando este conocimiento con una nueva visión de la arquitectura inca a través de los textiles. El arte textil originario está latente en la cultura popular peruana que ha perdido su carácter mágico religioso de su cosmovisión, pero sigue latente en su sentido expresivo como producción artística. La experiencia obtenida en la enseñanza del curso Telares en la Facultad de Arquitectura, de esta técnica textil ancestral, demostró el enorme potencial como medio de trasmisión de cultura peruana, utilizando todos los medios que nos ofrece la tecnología moderna. Esta manifestación de producción artística en telares que en la actualidad sigue latente en todo el territorio peruano, que es conocido como arte popular, es un rezago de la importancia que

siempre tuvo en el imaginario popular, que se puede utilizar como motivo de inspiración para los arquitectos del futuro, sin caer en un remedo o chauvinismo del movimiento indigenista con el llamado neo-peruano.

REFERENCIAS 1. Gavazzi, A., “Arquitectura Andina”, Apus

Grafh Ediciones, primera edición pp. 34-37 2. Ver

http://www.raco.cat/index.php/BoletinAmericanista/article/view/98733/146687

3. Ver

http://www.larepublica.pe/11-06-2014/q-eswachaca-el-ultimo-puente-inca-reconocido-como-patrimonio-mundial

4. Gonzales Arnao, W., “Silabo Telares AFA 715”, Faua-Uni, 2011.

5. Ver http://www.youtube.com/watch?hl=es&v=OQkopUco6S0

Correspondencia: [email protected]

Recepción de originales: setiembre 2014 Aceptación de originales: diciembre 2014

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Tecnia Vol 24 N°2