Scielo RSS <![CDATA[Ingeniería, investigación y tecnología]]> http://www.scielo.org.mx/rss.php?pid=1405-774320200004&lang=en vol. 21 num. 4 lang. en <![CDATA[SciELO Logo]]> http://www.scielo.org.mx/img/en/fbpelogp.gif http://www.scielo.org.mx <![CDATA[Parallel computing for the Cuban postal addresses geocoding]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400001&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: Teniendo en cuenta la velocidad y cantidad de datos que se generan en la actualidad, se ha convertido en una necesidad la creación de sistemas capaces de procesarlos en breves periodos de tiempo. La información espacial no queda exenta de esto por lo que la utilización de Sistemas de Información Geográfica se ha convertido en una necesidad. GeoServer es uno de los servidores de mapas que brinda estas funcionalidades mediante servicios. Uno de estos servicios es la geocodificación, que se define como el proceso de convertir una dirección postal en coordenadas geográficas. Una petición de geocodificación puede contener una o varias direcciones, siendo esta última conocida como geocodificación por lotes, la cual puede estar compuesta por una cantidad ilimitada de direcciones. Una de las técnicas que se utiliza para aumentar la capacidad de procesamiento de los sistemas geocodificadores es la computación paralela, que utiliza múltiples elementos de procesamiento para resolver determinado problema. El objetivo del presente trabajo consiste en la disminución de los tiempos de respuesta de los algoritmos de geocodificación de direcciones por lotes. Para lograr dicho objetivo, se desarrollaron varias versiones para la geocodificación haciendo uso de la computación paralela. Cada una de estas versiones fue incluida en el servidor de mapas GeoServer como un servicio Web y fueron evaluadas, mediante la utilización de pruebas estadísticas, con el fin de obtener la versión que ofrece menor tiempo de procesamiento. Tanto para el desarrollo de las variantes como para su validación, se tuvieron en cuenta direcciones postales del territorio nacional cubano, pues es el alcance pretendido con este trabajo. A partir de la evaluación realizada, se puede afirmar que la versión del algoritmo, desarrollada de forma independiente a la base de datos de referencia, es en la que mejores tiempos se ofrecen las respuestas.<hr/>Abstract: Taking into account the speed and quantity of data generated today, the creation of systems capable of processing them in a short period of time has become a necessity. Spatial information is not exempt from this, so the use of Geographic Information Systems has become a necessity. GeoServer is one of the map servers that provides these functionalities through services. One of these services is geocoding, which is defined as the process of converting a postal address into geographic coordinates. A geocoding request may contain one or more addresses, the latter being known as batch geocoding and may be composed of an unlimited number of addresses. One of the techniques used to increase the processing capacity of geocoder systems is parallel computing, which uses multiple processing elements to solve a given problem. The objective of this work is to reduce the response times of the geocoding algorithms for batch addresses. To achieve this goal, several versions were developed for geocoding using parallel computing. Each of these versions was included in GeoServer as a web service and were evaluated, through the use of statistical tests, in order to obtain which of all versions offers the least processing time. Both for the development of the variants and for their validation, postal addresses of the Cuban national territory were taken into account, as it is the intended scope of this work. From the evaluation carried out, it can be affirmed that the version of the algorithm developed independently of the reference database is in which better times the answers are offered. <![CDATA[Zeolitization of red clays from Ecuador and application in CO<sub>2</sub> adsorption]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400002&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: Se realizó la síntesis de zeolita LTA a partir de arcillas de Ecuador, empleando el método de fusión alcalina y posterior cristalización hidrotérmica a 90 °C. Las arcillas fueron calcinadas con NaOH variando el tiempo y temperatura de calcinación. La composición de la mezcla de síntesis y condiciones del tratamiento hidrotérmico se mantuvieron en todas las síntesis realizadas. La arcilla fue utilizada como fuente de silicio y aluminio, ajustando la composición de la mezcla con NaOH y H2O. Los sólidos se sometieron a caracterización mediante Difracción de Rayos X (DRX), Fluorescencia de Rayos X (FRX), determinación de área específica y capacidad de adsorción de CO2 de las arcillas de partida y de las zeolitas sintetizadas. Fue posible obtener zeolita A, empleando iguales condiciones de síntesis para las tres arcillas estudiadas. El estudio de la evolución de la cristalización con el tiempo, indicó 2 h como un tiempo adecuado para obtener la zeolita. El área específica y la capacidad de adsorción de las zeolitas obtenidas a partir de las arcillas, se incrementa notablemente en comparación con las arcillas originales, sin embargo, la composición química no cambia apreciablemente.<hr/>Abstract: The LTA zeolite synthesis from Ecuador clays using the alkaline fusion method, and subsequent hydrothermal crystallization at 90 ° C, was carried out. The clays were calcined with NaOH, varying the time and temperature of calcination. The composition of the synthesis mixture and hydrothermal treatment conditions were maintained in all the experiences carried out. The clay was used as a source of silicon and aluminum, adjusting the composition of the mixture with NaOH and H2O. The solids were subjected to a characterization by X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Fluorescence (FRX), specific area determination and CO2 adsorption capacity of the starting clays and of the synthesized zeolites. It was possible to obtain zeolite A, using the same synthesis conditions for the three clays studied. The study of the evolution of the crystallization with time, indicated 2 h as an adequate time to obtain the zeolite. The specific area and the adsorption capacity of the zeolites obtained from the clays are remarkably increased compared to the original clays, however, the chemical composition does not change appreciably. <![CDATA[Computational program to generate alias structures of mixed level fractional factorial designs]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400003&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: El propósito de este documento es mostrar el desarrollo de un programa codificado en MATLAB que tiene como objetivo facilitar la construcción de las estructuras de alias de diseños fraccionados de niveles mixtos. El programa es capaz de construir estructuras de alias de diseños fraccionados de niveles mixtos de 2 a 9 factores sin restricción del número de corridas. Además, realiza una búsqueda de correlaciones fuertes entre efectos principales lo que evita al experimentador la selección de un diseño en el que los efectos principales estén confundidos entre sí. Imagine que el experimentador requiere construir la estructura de alias de una matriz de diseño de 9 factores con 30 corridas, lo que involucra operaciones matemáticas básicas, operaciones matriciales y el análisis de una matriz de correlaciones de tamaño 129 × 129, esto le tomaría como mínimo 3 horas si dominara el método y además utilizara una hoja de cálculo. Por lo tanto, con este programa se pretende facilitar la construcción de estructuras de alias anulando la incertidumbre de errores de cálculo e interpretativos, adicional a la reducción del tiempo. El experimentador podrá conocer la estructura de alias de una fracción de un diseño de niveles mixtos de manera sencilla pudiendo concentrarse en aquella que le proporcione la mayor información de los términos de su interés. Este trabajo está limitado a mostrar el algoritmo que se codificó en MATLAB para la construcción de estructuras de alias de los diseños factoriales fraccionados de niveles mixtos, más no la eficiencia del método para mostrar estas estructuras.<hr/>Abstract: The purpose of this document is to show the development of a program encoded in MATLAB that aims to facilitate the construction of alias structures of mixed levels fractional designs. The program can construct alias structures of mixed levels fractional designs of 2 to 9 factors without restricting the number of runs. In addition, it performs a search for strong correlations between main effects, which prevents the experimenter from selecting a design in which the main effects are confused with each other. Imagine that the experimenter needs to build the alias structure of a 9 factor design matrix with 30 runs, which involves basic math operations, matrix operations and the analysis of a correlation matrix of size 129 × 129, this would take at least 3 hours if he master the method and also use a spreadsheet. Therefore, this program aims to facilitate the construction of alias structures and cancel the uncertainty of calculation and interpretive errors, in addition to the reduction of time. The experimenter will be able to know the alias structure of a fraction of a design of mixed levels in a simple way, being able to concentrate on the one that provides the most information of the terms of interest. This work is limited to showing the algorithm that was codified in MATLAB for the construction of alias structures of mixed levels fractional factorial designs, but not the efficiency of the method to show these structures. <![CDATA[FPGA-Based Digital Implementation of PWM Technique for Cascaded Multilevel Inverter]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400004&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: El desarrollo de topologías de inversores multiniveles ha dado lugar a diversas técnicas de modulación de ancho de pulso, entre las más utilizadas se encuentran las que utilizan señales portadoras múltiples. Sin embargo, el inconveniente de la aplicación de este tipo de técnicas de modulación es que se hace necesario generar un gran número de señales de conmutación para todos los dispositivos semiconductores de potencia que componen el inversor. Los conjuntos de puertas programables en el campo son una herramienta poderosa que permite obtener estas señales de manera rápida y precisa. El propósito de este artículo es describir la metodología utilizada para generar digitalmente las señales de conmutación para un inversor multinivel utilizando una tarjeta de desarrollo tipo “arreglo de campos de compuertas programable”. El procedimiento utilizado se divide en dos programas: un script de Matlab y un código creado en Quartus II. El proceso de diseño presentado es fácil, rápido, flexible y aplicable a otras técnicas de modulación multiportadora. La técnica de modulación implementada en la tarjeta de desarrollo se verifica experimentalmente en un inversor multinivel en cascada trifásico para generar cinco niveles de tensión de salida con diferentes velocidades de modulación. Los resultados obtenidos experimentalmente se comparan con los obtenidos en la simulación con el software PSpice. El análisis de los resultados permite comprobar el correcto funcionamiento de la técnica de modulación aplicada.<hr/>Abstract: The development of multilevel inverter topologies has given rise to various pulse width modulation techniques, among the most used are those that use multiple carrier signals. However, the drawback of implementing this type of modulation techniques is that it is necessary to generate a large number of switching signals for all the power semiconductor devices that make up the inverter. Field-Programmable Gate Arrays are a powerful tool that allows these signals to be obtained quickly and accurately. The purpose of this article is to describe the methodology used for digitally generate the switching signals for a multilevel inverter using a Field-Programmable Gate Array. The procedure used is divided into two programs; a Matlab script and a code created in Quartus II. The design process presented is easy, fast, flexible and applicable to other multicarrier modulation techniques. The modulation technique implemented in the Field-Programmable Gate Array is experimentally verified in a three-phase cascaded multilevel inverter to generate five output voltage levels with different modulation rates. The results obtained experimentally are compared with those obtained in simulation using PSpice. The analysis of the results allows to check the correct functioning of the implemented modulation technique. <![CDATA[Estimation of the uncertainty in a vision system for the experimental evaluation of a magneto-hydrodynamic mixer]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400005&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: Se presenta la metodología y los resultados de la estimación de incertidumbre de un sistema de visión basado en iluminación por campo oscuro para la evaluación experimental de un mezclador magneto-hidrodinámico (MHD, por sus siglas en inglés). Dicha evaluación se realizó a través de un sistema de visión diseñado para realizar mediciones de velocidad sobre la superficie libre del micro-fluido contenido en el mezclador MHD, el sistema de visión permite disminuir la restricción de transparencia de las paredes del contenedor (mezclador propuesto) y permite aplicar sus paredes como un par de electrodos distribuidos. La estructura del mezclador se clasifica como un canal anular abierto. El canal está formado por dos cilindros de material conductor, una base aislante y una superficie abierta. El canal anular contiene un micro-fluido de baja conductividad, el cual se gobierna por la ley de Lorenz debido a la presencia de un campo magnético y un campo eléctrico, resultando en un proceso de mezclado. La manipulación de fluidos a través de la MHD es muy útil y de gran interés para el diseño de sofisticados sistemas micro-electromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés), en especial para sistemas de microanálisis total ( μ T A S , por sus siglas en inglés), también conocidos como dispositivos laboratorio-en-un-chip (LOC, por sus siglas en inglés). Sin embargo, no es una tarea fácil para un control preciso del micro-fluido, se requiere considerar en el diseño de los mezcladores algunos parámetros como la forma y tamaño del canal, conductividad del micro-fluido y la interacción de los campos magnético y eléctrico. Además, se requiere de una herramienta que permita evaluar el comportamiento del micro-fluido, en esta ocasión, un sistema de visión basado en velocimetría en imágenes de partículas (PIV, por sus siglas en inglés), al cual bajo las especificaciones de experimentación descritas en el presente trabajo se estimó una incertidumbre de medición de ±0.001152 m/s para perfiles de medición con comportamiento de velocidad estables, cuya máxima velocidad de perfil es mayor a 0.003000 m/s y corresponden a micro-fluidos MHD de baja conductividad compuestos de 100 ml de agua destilada y 0.1 g de esferas S-HGS, inducidos por un campo magnético de 0.1624 T, un campo eléctrico inducido por la aplicación de una diferencia de potencial mayor a 4.0 V en un canal anular abierto con configuración de profundidad de 7 mm, relación de radios de 0.60, y relación de aspecto de 0.22. Con el sistema de visión se logra obtener una configuración optimizada geométrica y magnetohidrodinámica de mezcladores que abrirán nuevas posibilidades en la eficiencia del control automático del proceso de mezclado de fluidos.<hr/>Abstract: The methodology and the result of the estimation of uncertainty of a vision system based on darkfield lighting for the experimental evaluation of a magneto-hydrodynamic mixer (MHD) are presented. The evaluation was realized through a vision system designed to perform velocity measurements on the free surface of the micro-fluid contained in the MHD mixer, said vision system allows to reduce the transparency restriction of the container walls (proposed mixer) and allows to apply its walls as a pair of distributed electrodes. The structure of the mixer is classified as an open annular channel. The channel is formed by two cylinders of conductive material, an insulating base, and an open surface. The annular channel contains a micro-fluid of low conductivity, which is governed by the Lorenz law, due to the presence of a magnetic field and an electric field, resulting in a mixing process. The manipulation of micro-fluids through the MHD is very useful and of great interest for the design of sophisticated micro-electromechanical systems (MEMS), especially for total microanalysis system (μTAS), known as lab-on-a-chip (LOC) devices. However, it is not an easy task, for precise control of the micro-fluid it is necessary to consider in the design of the mixers parameters such as the shape and size of the channel, conductivity of the micro-fluidic, and the interaction of the magnetic and electric fields. In addition, a tool is required to evaluate the behavior of the micro-fluid, on this time, a vision system based on particle image velocimetry (PIV), to which, under the experimentation specifications described in this work, a measurement uncertainty of ± 0.001152 m/s was estimated for measurement profiles with stable velocity behavior, whose maximum profile velocity is greater than 0.003000 m/s and correspond to low conductivity MHD fluids composed of 100 ml of distilled water and 0.1 g of S-HGS spheres induced by a magnetic field of 0.1624 T, an electric field induced by the application of a potential difference greater than 4.0 V in an open annular channel with 7 mm depth setting, radius ratio of 0.60, and aspect ratio of 0.22. With the vision system it will be possible to obtain a geometrically and magnetohydrodynamic optimized configuration of mixers that will open up new possibilities in the efficiency of automatic control of the fluid mixing process. <![CDATA[Design of light embankments for settlements control]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400006&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: Diversos estudios relativos a la porosidad de los materiales granulares muestran, a partir de consideraciones teóricas, modelos físicos y simulaciones numéricas, que los materiales uniformes presentan naturalmente un peso volumétrico menor que los materiales bien graduados. Lo anterior puede aprovecharse para construir terraplenes ligeros con asentamientos controlados sobre suelos de alta compresibilidad como las arcillas lacustres del valle de México. Para reducir aún más el peso del terraplén es posible recurrir a materiales granulares naturalmente ligeros como la escoria volcánica conocida localmente en México como tezontle, este se caracteriza por sus granos porosos y su bajo peso volumétrico. En este trabajo se analizan las características de dos tezontles, el primero bien graduado y el otro con granulometría más uniforme. Se propone finalmente una técnica constructiva que recurre a tezontle con granulometría controlada para la construcción de terraplenes ligeros sobre suelos blandos como los del valle de México.<hr/>Abstract: Several existing studies on the porosity of granular materials based on theoretical considerations, physical models or numerical simulations show that uniform materials naturally present a lower unit weight than well-graded ones. This can be taken advantage of to build light embankments with controlled settlements on high compressibility soils such as the lacustrine clays of the valley of Mexico. To further reduce the weight of the embankment it is possible to resort to naturally light granular materials with porous grains such as the volcanic slag locally known in Mexico as tezontle that is characterized by its low unit weight. This paper analyzes the characteristics of two materials classified respectively as uniform and well-graded tezontles. Finally, a constructive technique using tezontle with controlled grain size distribution is proposed for the construction of light embankments on soft soils such as those in the Valley of Mexico. <![CDATA[Modeling of a 1kW free piston Stirling engine: Opportunity for sustainable electricity production]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400007&lng=en&nrm=iso&tlng=en Abstract: As part of the many alternatives for the development of new methods for sustainable energy transformation, the Stirling engine is distinguished due to the characteristics of an external combustion engine, with many advantages. These engines can be activated with heat, representing an additional option for the use of renewable energy. The Free Piston Stirling Engine (FPSE) is special due to the elimination of all wearing mechanisms of a typical kinematic Stirling engine. A linear mechanical storage device replaces the crank device of the kinematic one, making possible long operating life, higher efficiency, and zero maintenance. This document presents a theoretical model of a Free Piston Stirling Engine (FPSE) based on a dynamical and thermal analysis. As the core of the study, the “first-order analysis” of the thermal machine is implemented by taking some ideal assumptions. A technique of evolutionary computation is presented as a feasible solution for finding functional correct design parameters. For the dynamical part, the mathematical model is obtained through energy balances, and then a stability study is implemented to assure the oscillations of the machine. Results include several cases, which offer parameters such as cylinder and rod area, cooler temperature, heater temperature, piston and displacer mass, piston and displacer stiffness, phase angle, frequency, and power. It is critical to consider the sensibility of the system, and therefore, it is essential to apply a stability analysis in order to fully understand the behavior of the thermal machine. Results were compared in terms of a calculated error considering first-order analysis and the stability study developed with the Schmidt analysis.<hr/>Resumen: Como parte de las muchas alternativas para el desarrollo de nuevos métodos para la transformación de energía sostenible, el motor Stirling se distingue por las características de un motor de combustión externa, con muchas ventajas. Estos motores se pueden activar con calor, lo que representa una opción adicional para el uso de energía renovable. El motor de pistón libre Stirling (FPSE) es especial debido a la eliminación de todos los mecanismos de desgaste de un motor cinemático típico de Stirling. Un dispositivo de almacenamiento mecánico lineal reemplaza el dispositivo de manivela del cinemático, lo que hace posible una larga vida útil, una mayor eficiencia y un mantenimiento nulo. Este documento presenta un modelo teórico de un motor Stirling de pistón libre (MSPL) basado en un análisis dinámico y térmico. Como el núcleo del estudio, el "análisis de primer orden" de la máquina térmica se implementa tomando algunas suposiciones ideales. Una técnica de computación evolutiva se presenta como una solución factible para encontrar parámetros de diseño correctos y funcionales. Para la parte dinámica, el modelo matemático se obtiene a través de balances de energía, y luego se implementa un estudio de estabilidad para asegurar las oscilaciones de la máquina. Los resultados incluyen varios casos, que ofrecen parámetros como el área del cilindro y la varilla, la temperatura del enfriador, la temperatura del calentador, la masa del pistón y del desplazador, la rigidez del pistón y del desplazador, el ángulo de fase, la frecuencia y la potencia. Es fundamental tener en cuenta la sensibilidad del sistema y, por lo tanto, es esencial aplicar un análisis de estabilidad para comprender completamente el comportamiento de esta máquina térmica. Los resultados se comparan en términos de error calculado considerando el análisis de primer orden y el estudio de estabilidad desarrollado con el análisis de Schmidt. <![CDATA[Evaluation of the recursion depth of the analytical solution of the Colebrook-White equation in the accuracy of the friction factor prediction]]> http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432020000400008&lng=en&nrm=iso&tlng=en Resumen: La ecuación de Colebrook, más conocida como ecuación de Colebrook-White, es valorada por su exactitud en la predicción del factor de fricción en tuberías cilíndricas en zona de flujo turbulento y por ello, es ampliamente utilizada en el cálculo de pérdidas de carga. Esta ecuación es implícita y debe resolverse utilizando métodos numéricos o mediante aproximaciones como la función W de Lambert. En 2015, Mikata y Walczak, propusieron una solución analítica exacta de la ecuación del factor de fricción que presenta una estructura recursiva, por lo que una búsqueda de la solución exacta de la ecuación de Colebrook requiere mucho tiempo y consume importantes recursos computacionales. Por esa razón, en este trabajo se muestra el nivel de exactitud en el cálculo del factor de fricción, representado por el error obtenido al implementar la solución analítica en función de la profundidad de recursión “n”, para lo que se desarrolló una macro de Excel en lenguaje VBA. La originalidad del presente trabajo corresponde a la evaluación de la exactitud en la predicción del factor de fricción, en el rango de uso práctico de la ecuación en ingeniería, considerando valores de rugosidad relativa de 10-1 a 10-6 y valores del número de Reynolds de 104 a 108, lo que genera una matriz de análisis que contiene 839.937 datos. Como resultado del análisis realizado se puede concluir que la precisión de la solución de la ecuación de Colebrook depende de la profundidad de recursión, llegando a un máximo error relativo de 5,369E-08 % para una profundidad de recursión de n=10.<hr/>Abstract: The Colebrook equation, better known as the Colebrook-White equation, is valued for its accuracy in the prediction of the friction factor in cylindrical pipes in turbulent flow zone and is therefore widely used in the calculation of load losses. This equation is implicit and must be solved using numerical methods or by approximations such as the Lambert W function. In 2015, Mikata and Walczak proposed an exact analytical solution of the friction factor equation that presents a recursive structure, so the search for the exact solution of the Colebrook equation requires a lot of time and consumes significant computational resources. For this reason, this work shows the level of accuracy in the calculation of the friction factor, represented by the error obtained when implementing the analytical solution based on the depth of recursion “n”, for which a macro of Excel in VBA language. The originality of the present work corresponds to the evaluation of the accuracy in the prediction of the friction factor, in the range of practical use of the engineering equation considering relative roughness values of 10-1 to 10-6 and Reynolds numbers values from 104 to 108, which generates an analysis matrix that contains 839,937 data. As a result of the analysis performed, it can be concluded that the precision of the solution of the Colebrook equation depends on the depth of recursion, reaching a maximum relative error of 5,369E-08 % for a recursion depth of n=10.