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Ing. Javier Páez G.
Ing. Diego Silva.
Diseño de Portada
Sr. Diego Flores
TEMÁTICA Y ALCANCE La Revista Politécnica es una publicación periódica semestral, editada por la Escuela Politécnica Nacional del Ecuador, cuyo objetivo
es contribuir al conocimiento científico y tecnológico, mediante la publicación de estudios científicos relacionados a las áreas de
ciencias básicas (física, química y matemática) e ingenierías (agroindustria, ambiental, civil, eléctrica, electrónica, geología, mecánica,
petróleos, sistemas y química). La Revista Politécnica está dirigida a profesionales e investigadores que trabajan en estos campos del
conocimiento.
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responsabilidad exclusiva de sus autores.
CONSEJO EDITORIAL
Coordinador Técnico Operativo
Ing. Javier Páez G.
Teléfono: (+593) 2976300 ext. 5220
EDITOR Oscar Eduardo Camacho, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional
Enio Da Silveira, Ph.D.
Universidad Católica de Río, Brasil.
Carlos Smith, Ph.D.
University of South Florida, Estados
Unidos
Gyimah-Brempong Kwabena, Ph.D.
University of South Florida, Estados
Unidos
Raymundo Forradelas, Ph.D.
Universidad Nacional del Cuyo,
Argentina
Ricardo Carelli, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina.
Vanderlei Bagnato, Ph.D.
Universidad de Sao Paulo, Brasil.
Rui Pedro Pinto de Carvalho, Ph.D.
University of Coimbra, Portugal
Vicenzo Vespri, Ph.D.
Università degli studi di Firenze, Italia
Oscar Ortiz, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina
Gustavo Scaglia, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina
Chen Ning, Ph.D.
Universidad de Mineralogía y
Tecnología de China, China.
Alex Ruiz Torres, Ph.D.
Universidad de Puerto Rico, Puerto
Rico.
CO-EDITORA Silvana Ivonne Hidalgo Trujillo, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional
Lizandro Solano, Ph.D.
Universidad de Cuenca, Ecuador
Romel Montufar, Ph.D.
Pontificia Universidad Católica,
Ecuador
Marcos Villacís, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Andrés Rosales, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Danilo Chávez, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Oscar Camacho, Ph.D.
Universidad de Los Andes, Venezuela
Carlos Ávila, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Rector
Jaime Calderón, MBA
Vicerrector de Investigación y
Proyección
Alberto Celi, Ph.D.
Vicerrector de
Docencia
Tarquino Sánchez, MBA
AUTORIDADES
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
PALABRAS DE LA Co-EDITORA
En este nuevo número de la Revista Politécnica nos complace presentar seis artículos de investigación realizados
en instituciones nacionales e internacionales que tratan principalmente temas del ámbito nacional.
En el primer artículo, los autores mexicanos, Viviana Reyes, Oscar Carranza, Jaime Rodríguez y Rubén Ortega
nos presentan los resultados de un Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en relación a
sus Coeficientes de Potencia y de Par. El análisis realizado mediante el uso de herramientas de Matlab es la base
para la construcción de un emulador de turbinas eólicas. Los autores proponen así un método simple para
comparar los coeficientes de diferentes modelos de turbinas. La construcción de este emulador permitiría
evaluar diversos sistemas de generación eólica, así como, los algoritmos de búsqueda del punto de máxima
potencia.
En nuestro segundo artículo, los autores, Karla Verdugo, Luis Aires y Hernando Merchán, de la Universidad de
Leiria (Portugal) y la Universidad de Cuenca, proponen una Contribución para la Implementación de una Red
de Detección de Rayos en Ecuador. En este artículo los autores realizan un análisis detallado de las zonas más
propensas a la generación de rayos en el país y generan dos propuestas para la implementación de un sistema
de detección de dichos fenómenos. Las propuestas incluyen las localizaciones óptimas y los instrumentos
adecuados para el diseño y construcción de dicha red.
El tercer artículo de autoría de María Molina (Universidad Técnica de Ambato), presenta la Automatización del
sistema de control de la máquina empaquetadora de Blíster. Este estudio de caso, describe el paso de un sistema
de empaquetamiento manual a un sistema automatizado. El rendimiento se incrementa en 300% y se pueden
implementar nuevas funciones de acuerdo a los requerimientos del cliente.
El cuarto artículo intitulado Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando Modificadores
de Cristales en Petróleo Liviano, es presentado por Francisco Heredia, Edwin Vera y Liliana Guzmán-Beckman,
investigadores de la Escuela Politécnica Nacional. Los autores realizan un estudio experimental para determinar
la influencia de los modificadores de cristales en la generación de depósitos de parafinas en las tuberías de
transporte de petróleo. El dispositivo experimental usado en este trabajo fue construido en los laboratorios de la
Escuela Politécnica Nacional. Los autores concluyen que el uso del modificador de cristales 2 en una
concentración determinada puede disminuir en un 90% la deposición de parafinas.
Nuestro quinto artículo es presentado por Manolo Suárez Córdova, María Padilla, Paola Garcés y Estefanía
Sánchez, investigadores de la Universidad Técnica de Ambato. Ellos realizan un estudio de la Huella de
Carbono en Unidades Desconcentradas de Terminales Terrestres. Se realiza un análisis detallado de las fuentes
de contaminación y de los gases éstas que producen. Este tipo de estudios es fundamental para un correcto
manejo ambiental tanto de los terminales terrestres como de otras actividades capaces de producir una alta huella
de carbono, especialmente en el contexto actual de cambio climático global.
Nuestro último artículo es presentado por Diana Hualpa, Zorayda Toledo, Miguel Meneses y Peter Feng,
investigadores de la Universidad Técnica Particular de Loja y de la División de Microbiología de la FDA (Food
and Drug Administration, USA). Este trabajo analiza la Calidad Microbiológica de Vegetales Mínimamente
Procesados Listos para el Consumo, en Loja, Ecuador.
Esperamos que el contenido de este volumen sea de interés para los lectores de la Revista Politécnica.
Silvana Ivonne Hidalgo Trujillo, Ph.D.
Co-EDITORA
CONTENIDO
Vol. 41, No. 1
FEBRERO – ABRIL 2018
7
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en relación a sus
Coeficientes de Potencia y de Par
Comparative Study of the Performance of Wind Turbines in relation to both Power and
Torque Coefficients
17
Verdugo, Karla; Aires, Luis; Merchán, Hernando
Contribución para la Implementación de una Red de Detección de Rayos en
Ecuador
Contribution for the Implementation of a Ray Detection Network in Ecuador
25
Molina Araujo María José
Automatización del sistema de control de la máquina empaquetadora de Blíster
Automation control system of the blisters machine packaging
29
Heredia, Francisco; Vera, Edwin; Guzmán-Beckmann, Liliana
Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando
Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano
Paraffin Deposit Decrease Evaluation Using Crystal Modifiers in Light Crude Oil
39
Córdova-Suárez, Manolo; Carrasco, María; Padilla Paola; Garcés-Sánchez, Estefania
Estudio de la Huella de Carbono en Unidades Desconcentradas de Terminales
Terrestres
Study of the Carbon Footprint in Unknown Units of Terrestrial Terminals
45
Hualpa Diana, Toledo Zorayda, Meneses Miguel A., Feng Peter
Microbiological Quality of Minimally Processed, Ready-to-Eat, Vegetables in
Loja, Ecuador
Calidad Microbiológica de Vegetales Mínimamente Procesados
Listos para el Consumo, en Loja, Ecuador
Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en relación a sus Coeficientes de Potencia y de Par
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
[email protected] Recibido: 07/02/2017
Aceptado: 07/03/2018
Publicado: 30/04/2018
11. INTRODUCCIÓN
En los últimos años se ha tenido una necesidad de diversificar
las fuentes de generación de energía eléctrica, con lo que se ha
impulsado en gran medida las fuentes de generación basadas
en energías renovables, entre las más importantes destacan la
energía eólica y la fotovoltaica. Para el primer caso, el viento
es un recurso limpio e inagotable, disponible en la mayor parte
del mundo, aunque no todas con la misma cantidad, pero sí
existen zonas específicas en las cuales el recurso natural es
cuantioso (Ackermann, 2012).
Existen diferentes métodos estadísticos para calcular la
velocidad media del viento, la densidad de energía eólica y el
factor de carga de un área geográfica específica (Lubosny,
2003); permitiendo determinar zonas idóneas para instalar
parques eólicos que pueden abarcar desde varios MW hasta
algunos kW, dependiendo de las necesidades de consumo que
se tenga.
Bajo esta perspectiva se busca que los sistemas de conversión
de la energía eólica a eléctrica extraigan la mayor cantidad de
energía. Para lo cual, los diferentes fabricantes de turbinas
eólicas plantean diferentes modelos físicos con la finalidad de
extraer la mayor cantidad de energía del viento. Entre las
Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en
relación a sus Coeficientes de Potencia y de Par
Reyes, Viviana1; Carranza, Oscar1,2; Rodríguez, Jaime1; Ortega, Ruben1,2
1Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Ciudad de México, México
2 Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Cómputo, Ciudad de México, México
Resumen: Este artículo presenta un estudio comparativo del desempeño de las turbinas eólicas en relación a su
coeficiente de potencia y de par, realizado mediante su modelo matemático que define el comportamiento de cada
turbina. El estudio establece que la potencia y el par de una turbina eólica depende tanto del tipo como de las
características de esta, reflejados en los coeficientes de potencia y de par. El coeficiente de par es dependiente del
coeficiente de potencia, por lo que este último se considera como básico en este estudio. De todos los coeficientes de
potencia encontrados, se determina que existen tres modelos matemáticos básicos (función polinomial, sinusoidal o
exponencial). Con esta información, se realiza un estudio comparativo de la potencia y del par en el eje de la turbina
para cada uno de los casos. El estudio se realiza de forma analítica y se corrobora mediante pruebas de simulación.
El propósito de este análisis, es establecer algunas consideraciones necesarias, para evaluar los diferentes modelos de
turbinas eólicas para facilitar la construcción de un emulador de un aerogenerador, de acuerdo al comportamiento de
la potencia y del par en el eje de la turbina eólica.
Palabras clave: Potencia de la turbina, Par del eje de la turbina, Turbina eólica.
Comparative Study of the Performance of Wind Turbines in
relation to both Power and Torque Coefficients
Abstract: This paper presents a comparative study of the performance of wind turbines in relation to both power and
torque coefficients, through of a mathematical model that defines the behavior of each turbine. The study establishes
that the power and torque of a wind turbine depends on the type of turbine and its characteristics, reflected in both
power and torque coefficients. The coefficient of torque is dependent on the power coefficient, so the latter is
considered as basic in this study. Of all the power coefficients found, it is determined that there are three basic
mathematical models (polynomial, sinusoidal or exponential). With this information, a comparative study of the
turbine power and the turbine shaft torque is carried out for each of the cases. The study is performed analytically
and it is corroborated by simulation tests. The purpose of this analysis is to establish some considerations to evaluate
the different models of wind turbines to facilitate the construction of an emulator of an aerogenerator, according to
the behavior both of power as shaft torque of the wind turbine.
Keywords: Turbine power, Turbine shaft torque, Wind turbine.
7
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
características básicas que se modifican son: el tipo de turbina
(eje horizontal o vertical), el número de arpas y el diseño
mecánico y aerodinámico, sin embargo, su desempeño no es
igual para todo el intervalo de velocidades del viento, ni de la
velocidad angular de las aspas (Lubosny, 2003).
Por lo que el presente trabajo se centra en el realizar un estudio
comparativo del desempeño de diferentes turbinas eólicas,
para establecer la dependencia de su desempeño en relación a
los coeficientes de potencia y de par de cada una de ellas. Esto
permite conocer con mayor profundidad el comportamiento de
cada turbina. Además, permitirá realizar estudios más
específicos en relación a algoritmos del seguimiento del punto
de máxima potencia en sistema de generación eólica.
2. POTENCIA Y PAR EÓLICO
Para obtener la potencia eólica (𝑃𝑣) que proporciona una
turbina eólica (Lubosny, 2003), (Hau, 2013), (Trevor, 2017)
se tiene que la potencia del viento (𝑃𝑣) se define por la
ecuación:
𝑃𝑣 = 1
2𝜌𝜋𝑟2𝑣𝜔
3 (1)
Donde 𝜌 es la densidad del aire, 𝑟 es el radio del aspa de la
turbina y 𝑣𝜔 es la velocidad del viento.
Sin embargo, la potencia cinética del aire no puede ser
convertida al 100% en energía mecánica, debido a que debe
cumplir la ecuación de continuidad del flujo de aire, cuando se
pasa a través una turbina (Villarrubia, 2013), esto es, el viento
al pasar por la turbina se frena, saliendo a una velocidad
menor, pero siempre distinta de cero. En una turbina eólica
ideal, la velocidad del viento se reduce a un 59.25 %, según la
ley de Betz. A este valor se le llama Límite de Betz.
Por consiguiente, la potencia en la turbina (𝑃𝑎) es la potencia
eólica que es extrae del viento, con lo que se obtiene una
relación entre ambos parámetros, dicha relación se le conoce
como coeficiente de potencia (𝐶𝑝), empleando esta relación se
obtiene que la 𝑃𝑎 se expresa por:
𝑃𝑎 = 1
2𝐶𝑝𝜌𝜋𝑟2𝑣𝜔
3 (2)
El 𝐶𝑝 depende del tipo de turbina eólica utilizada, del diseño
mecánico y la aerodinámica de la turbina, además de la
velocidad de angular de la turbina, el ángulo de ataque de las
aspas y la velocidad del viento. En un solo tipo de turbina, el
comportamiento de 𝐶𝑝 depende fundamentalmente de dos
factores:
De la velocidad específica (Tip speed ration, 𝜆).
Del ángulo de ataque de las aspas de la turbina (𝛽).
Por consiguiente, el coeficiente de potencia está dado en
función de dos variables 𝐶𝑝(𝜆, 𝛽). La velocidad específica es
la relación entre la velocidad lineal o tangencial del extremo
del aspa de la turbina y la velocidad del viento, expresada por:
𝜆 = 𝑟𝜔𝑚
𝑣𝜔
(3)
Donde 𝜔𝑚 es la velocidad rotacional de la turbina.
El par en el eje de la turbina eólica (𝑇𝑚) se calcula mediante:
𝑃𝑚 = 𝑇𝑚𝜔𝑚 (4)
Sustituyendo la Ecuación (2) en la Ecuación (4) y despejando
𝑇𝑚 se obtiene
𝑇𝑚 = 𝐶𝑝𝜌𝜋𝑟2𝑣𝜔
3
2𝜔𝑚
(5)
Considerando la Ecuación (3) y sustituyendo en la Ecuación
(5) se obtiene:
𝑇𝑚 = 1
2
𝐶𝑝
𝜆𝜌𝜋𝑟3𝑣𝜔
2 (6)
De donde se establece que:
𝐶𝑡 = 𝐶𝑝
𝜆 (7)
Donde 𝐶𝑡 es el Coeficiente de par, con lo que la Ecuación (6)
se expresa como:
𝑇𝑚 = 1
2𝐶𝑡𝜌𝜋𝑟3𝑣𝜔
2 (8)
3. COEFICIENTES DE POTENCIA Y DE PAR
El coeficiente de potencia y de par para ser estudiados y
analizados, se han expresado mediante modelos matemáticos,
los cuales se agrupan en tres funciones:
Función Polinomial
Función Sinusoidal
Función Exponencial
Debido a que el coeficiente de par depende al de potencia
como se expresa en la Ecuación (7), el estudio y análisis se
centra en el coeficiente de potencia. Los modelos de 𝐶𝑝
basados en una función exponencial y en una función
sinusoidal dependen de 𝝀 y 𝜷, con lo que en estos casos la
potencia y el par de la turbina son funciones de la velocidad
del viento, de la velocidad de rotación de la turbina y del
ángulo de ataque de las aspas. Estos modelos son empleados
principalmente en turbinas de mediana y alta potencia, debido
que son los esquemas donde se emplea el ajuste del ángulo de
las aspas, ya que, en turbinas de baja potencia, se emplean un
ángulo constante de ataque del aspa (Moussa et al., 2014). Para
los modelos basados en una función polinomial, se considera
el ángulo de ataque de las aspas constante, por lo que la
potencia y el par solo están en función de la velocidad
específica.
8
Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en relación a sus Coeficientes de Potencia y de Par
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
3.1 Modelos basados en una función polinomial
Los modelos basados en una función polinomial se rigen en la
expresión matemática general propuesta por Li et al. (2007), la
cual es expresada por:
𝐶𝑝(𝜆) = ∑ 𝑎𝑖𝜆𝑖
𝑖=𝑛
𝑖=0
(9)
Según la literatura, se encontraron cuatro modelos, que se
basan en una función polinomial, los cuales tienen distinto
orden, el modelo de tercer orden es mostrado por Moussa et al.
(2014), el de cuarto orden por Arifujjaman et al. (2016), el de
quinto orden por Carranza et al. (2014) y el de séptimo orden
por Li et al. (2007). Si la Ecuación (9) se desarrolla
considerando el orden más alto del modelo encontrado se
obtiene:
𝐶𝑝(𝜆) = 𝑎0𝜆0 + 𝑎1𝜆1 + 𝑎2𝜆2 + 𝑎3𝜆3 + 𝑎4𝜆4
+𝑎5𝜆5 + 𝑎6𝜆6 + 𝑎7𝜆7 (10)
Los modelos encontrados varían los coeficientes del polinomio
de acuerdo a los valores mostrados en la Tabla 1, la cual se
clasifica de acuerdo al orden del polinomio.
3.2 Modelos basados en una función Sinusoidal
En relación a los modelos del coeficiente de potencia que se
basan en una función sinusoidal, en la literatura se encuentran
cinco diferentes y se clasifican de acuerdo al artículo. El
modelo A es mostrado por Moussa et al. (2014), el modelo B
por Coto el al. (2014), el modelo C por Xin et al. (2014), el modelo
D por Merahi et al. (2014) y el modelo E por Nouira et al.
(2012). Analizando cada uno de los modelos se obtiene una
función general que cumple con todos los modelos que se
relaciona con el comportamiento en base a una función
sinusoidal, dicha función general es expresada por:
𝐶(𝜆, 𝛽) = [𝑎0 + 𝑎1(𝑏0𝛽 + 𝑎2)] sen [𝜋(𝜆 + 𝑎3)
𝑎4 + 𝑎5(𝑏1𝛽 + 𝑎6)]
+𝑎7(𝜆 + 𝑎8)(𝑏2𝛽 + 𝑎9)
(11)
La Tabla 2 muestra los coeficientes de cada uno de los modelos
encontrados, los cuales se aplican en la Ecuación (11), según
el modelo asociado al artículo de donde se obtienen dichos
parámetros.
Tabla 1. Coeficientes de los diferentes modelos de 𝐶𝑝 en función Polinomial.
Coeficiente 3° 4° 5° 7°
𝑎0 -0.02086 0.11 0.0344 0
𝑎1 0.1063 -0.2 -0.0864 0.00510
𝑎2 -0.004834 0.097 0.1168 -0.0022
𝑎3 -0.000037 -0.012 -0.0484 0.0052
𝑎4 0 0.00044 0.00832 -5.1425x10-4
𝑎5 0 0 -0.00048 -2.7950x10-5
𝑎6 0 0 0 4.6313x10-6
𝑎7 0 0 0 -1.3310x10-7
Tabla 2. Coeficientes de los diferentes modelos de 𝐶𝑝 en función sinusoidal.
Coef. Modelo
A B C D E
𝑎0 0.5 0.44 0.44 0.5 0.5
𝑎1 -0.00167 0 -0.0167 -0.0167 0.0167
𝑎2 -2 0 0 -2 -2
𝑎3 0.1 -1.6 -3 0.1 0.1
𝑎4 18.5 15.0 15.0 10 18.5
𝑎5 -0.3 0 -0.3 -0.3 -0.3
𝑎6 -2.0 0 0 0 -2.0
𝑎7 -0.00184 0 -0.00184 -0.00184 -0.00184
𝑎8 -3.0 0 -3.0 -3.0 -3.0
𝑎9 -2.0 0 0 -2.0 -2.0
𝑏0 1 0 1 1 1
𝑏1 1 0 1 1 1
𝑏2 1 0 1 1 1
3.3 Modelos basados en una función exponencial
A partir de la revisión documental de los modelos del
coeficiente de potencia, se agrupan ocho diferentes modelos
que siguen un comportamiento exponencial, de manera que
realizando un análisis se obtiene una función general que
satisface todos estos modelos, la cual es mostrada por
𝐶𝑝(𝜆, 𝛽) = 𝑐0 (𝑐1
1
𝜆𝑖+ 𝑐2𝛽 + 𝑐3𝛽𝑐4 + 𝑐5) ∙ 𝑒
𝐶61
𝜆𝑖 + 𝑐7𝜆 (12)
Donde 𝝀𝒊 es expresada por:
1
𝜆𝑖
=1
𝜆 + 𝑑0𝛽 + 𝑑1
− 𝑑2
1 + 𝛽3 (13)
Los valores de los coeficientes que satisfacen la ecuación (12)
se muestran en la Tabla 3, de acuerdo con el modelo de
referenciado en la literatura; y los valores de los coeficientes
que satisfacen la Ecuación (13) se muestran en la Tabla 4, de
igual manera agrupados según el modelo de referenciado en la
literatura. Los modelos se relacionados según el artículo de
donde son obtenidos como se indica a continuación: el modelo
F es propuesto Kotti et al. (2014), el modelo G por Kaur et al.
(2012), el modelo H encuentra en varios artículos que son
Ovando et al. (2007), Lu et al. (2012), Zhiqiang et al. (2014),
Aree et al. (2014); Duman et al. (2014), Hamane et al. (2014)
y en Gou et al. (2011), el modelo I se encuentra en varios
artículos que son Gao et al. (2008), Bagh et al. (2012), Yin et
al. (2007), Shi Q. et al. (2013), Chen et al. (2012) y en Chen et
al. (2009), el modelo J es propuesto por Llano et al. (2014), el
modelo K es mostrado por Shi B.et al. (2013) y Boukettaya et
al. (2014), el modelo L por Bustos et al. (2012) y el modelo M
por Ahmed et al. (2014).
Tabla 3. Coeficientes de los diferentes modelos de 𝐶𝑝 en función
exponencial para la Ecuación (12)
Coef Modelo
F G H I J K L M
𝒄𝟎 0.5 0.5 0.5176 0.22 0.5 0.73 0.44 1
𝒄𝟏 116 116 116 116 72.5 151 124.99 110
𝒄𝟐 -0.4 -0.4 -0.4 -0.4 -0.4 -0.58 -0.4 -0.4
𝒄𝟑 0 0 0 0 0 -0.002 0 -0.002
𝒄𝟒 - 0 0 0 0 2.14 - 2.2
𝒄𝟓 -5 -5 -5 -5 -5 -13.2 -6.94 -9.6
𝒄𝟔 -21 -21 -21 -12.5 -13.12 -18.4 -17.05 -18.4
𝒄𝟕 0 0 0.0068 0 0 0 0 0
9
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Tabla 4. Coeficientes de los diferentes modelos de 𝐶𝑝 en función
exponencial para la Ecuación (13)
Coef. Modelo
F G H I J K L M
𝒅𝟎 0.08 0 0.08 0.08 0.08 0.02 0.08 0.02
𝒅𝟏 0 0.088 0 0 0 0 0 0
𝒅𝟐 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.003 0.001 0.03
4. ANÁLISIS DE LA POTENCIA Y DEL PAR EN LA
TURBINA EÓLICA DE ACUERDO A SU MODELO
Una vez analizado los diferentes coeficientes de potencia,
según modelos reportados, se procede a analizar el
comportamiento de cada uno de los modelos en relación a la
potencia y el par que proporcionan cada uno de ellos. El
análisis se realiza de forma analística mediante Matlab, bajo
las mismas condiciones para todos los casos, las cuales se
muestran en la Tabla 5. Además, para analizar la potencia y
el par en una turbina eólica se emplean las Ecuaciones (2) y
(8) y para calcular la velocidad rotacional de la turbina se
emplean la Ecuación (14).
𝜔𝑚 = 2𝜋𝑛𝑚
60 (14)
Realizando el análisis de la potencia y del par en una turbina
eólica con el coeficiente de potencia basado en una función
polinomial, se aplica la Ecuación (10) y los valores de la Tabla
1 y de la Tabla 5, de acuerdo a los modelos encontrados. El
comportamiento de potencia para los cuatro modelos
polinomiales, se muestran en la Figura 1. El comportamiento
del par en el eje de la turbina relacionado a estos mismos
modelos se muestra en la Figura 2. En ambos casos se
relacionan los comportamientos de la potencia y el par en
función de velocidad de giro de la turbina en rpm.
De la Figura 1 se observa que el comportamiento del
coeficiente de Potencia es adecuado para los modelos con
función polinomial de tercer, quinto y séptimo orden en este
rango de velocidades, sin embargo, el comportamiento que
presenta el modelo con la función polinomial de cuarto orden
no es conveniente, debido a que una vez que baja su nivel
vuelve a aumentar para velocidades de giro superiores a 770
rpm, lo cual no sucede en el comportamiento de una turbina
real. Este modelo si se puede emplear siempre y cuando acote
a una velocidad de giro no mayor a 770 rpm. De la Figura 2 se
observa que el par es muy alto a bajas velocidades de giro de
la turbina para los modelos que presentan un comportamiento
polinomial de tercer y quinto orden, por lo hay que tener en
cuenta este parámetro cuando se diseñe un aerogenerador. Con
lo que respecta al modelo que tiene una función de cuarto
orden, también el par presenta el mismo problema de tiene la
potencia, que es que su valor empieza a subir para velocidades
de giro superiores a 770 rpm, porque que su empleo solo se
recomienda siempre y cuando no se trabaje a velocidades
superiores de 770 rpm.
Tabla 5. Parámetros del sistema
Parámetro Valor
Radio del aspa ( 𝑟) 1.5 m
Velocidad del viento (𝑣𝜔) 10 m/s
Velocidad de giro de la turbina (𝑛𝑚) 100 – 900 rpm
100 200 300 400 500 600 700 800 9000
500
1000
1500
2000
2500
Velocidad de la turbina (rpm)
Po
ten
cia
(W
)
Séptimo orden
Quinto orden
Cuarto orden
Tercer orden
Figura 1. Potencia en la turbina eólica de acuerdo al coeficiente de potencia,
según lo modelos matemático basado en un polinomial.
100 200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
50
60
Pa
r (N
m)
Séptimo orden
Quinto orden
Cuarto orden
Tercer orden
Velocidad de la turbina (rpm) Figura 2. Par en el eje de la turbina eólica de acuerdo al coeficiente de
potencia, según lo modelos matemático basado en un polinomial.
Realizando el análisis de la potencia y del par en una turbina
eólica con coeficiente de potencia para los modelos basado
en una función sinusoidal, se emplea la Ecuación (11) y los
valores de la
Tabla 2 y de la Tabla 5. Nuevamente, considerando la
velocidad de giro de la turbina, se obtiene el comportamiento
de potencia para los cinco modelos sinusoidales, los
cuales se muestran en la Figura 3. En la Figura 4 se muestra
el comportamiento del par en el eje de la turbina de los
mismos cinco modelos que se basan en una función
sinusoidal.
De la Figura 3 se observa que la potencia que se obtiene es
adecuada cuando se emplean todos los modelos del coeficiente
de potencia que siguen un comportamiento sinusoidal, los
cuales fueron presentados en la literatura. La diferencia que se
establece entre ellos es básicamente de amplitud y del intervalo
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Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en relación a sus Coeficientes de Potencia y de Par
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
100 200 300 400 500 600 700 800 9000
500
1000
1500
2000
2500Potencia de la Turbina
Po
ten
cia
(N
m)
Coto
Merahi
Xin
Moussa
Nouira
Velocidad de la turbina (rpm) Figura 3. Potencia en la turbina de los modelos en función sinusoidal.
100 200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
50
60
Pa
r (N
m)
Coto
Merahi
Xin
Moussa
Nouira
Velocidad de la turbina (rpm) Figura 4. Par en el eje de la turbina de los modelos en función sinusoidal.
de velocidades a las que responde. Para el caso del par del eje
de la turbina se observa en la figura 4, que los modelos basados
en funciones sinusoidales que presenta Coto, Nouira y Moussa
tienen un alto valor de par a bajas velocidades de giro de la
turbina, por lo que es un parámetro a considerar ampliamente
en el diseño del aerogenerador, los otros dos modelos
presentan valores no tan altos, por lo que no afectan en el
comportamiento del aerogenerador.
Por último, se lleva a cabo el análisis de la potencia y del par
en una turbina eólica con coeficiente de potencia mediante un
modelo basado en una función exponencial, para lo cual se
emplea las Ecuaciones (12) y (13), los valores de los
coeficientes de las Tabla 3, 4 y 5. Estos comportamientos
nuevamente se obtienen en función de la velocidad de giro de
la turbina, se obtiene el comportamiento de la potencia para
los ocho modelos exponenciales que se muestran en la Figura
5. Por consiguiente, se muestra el par en el eje de la turbina
para los ocho modelos, en la Figura 6.
De la Figura 5 se observa que la potencia de la turbina cuando
se analizan los coeficientes de potencia que se basan en una
función exponencial, todos tiene un comportamiento
adecuado, la diferencia radica entre uno y otro, en la amplitud
máxima a que velocidad de giro de la turbina ocurre y a
intervalo de velocidades de giro al cual trabajan. De igual
manera se observa en la Figura 5 que el par en el eje de la
turbina tiene un buen comportamiento como sucede con la
Potencia.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
500
1000
1500
2000
2500
Po
ten
cia
(W
)
Kotti
Khajuria
Ovando
Feng
Llano
Shi
Bustos
Ahmed
Velocidad de la turbina (rpm) Figura 5. Potencia en la turbina de los modelos en función exponencial.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
50
60
Pa
r (N
m)
Kotti
Khajuria
Ovando
Feng
Llano
Shi
Bustos
Ahmed
Velocidad de la turbina (rpm) Figura 6. Par en el eje de la turbina de los modelos en función exponencial.
5. RESULTADOS
Posteriormente al análisis de la potencia eólica y del par
analíticamente, se procede a realizar simulaciones de los
diferentes modelos acorde a las funciones matemáticas, de
manera que se represente un aerogenerador. Esta simulación
se realiza empleando los mismos valores que se emplearon en
el análisis matemático con MatLab en la sección anterior
(Tabla 5). La simulación se realiza usando la herramienta
computacional PSIM, por contar con modelos en su librería
que facilitan la representación de las distintas funciones
consideradas. La Figura 7 muestra el circuito desarrollado en
PSIM, donde se incluye todo el modelo de la turbina eólica.
En este circuito es donde se evalúa cada uno de los modelos
del coeficiente de potencia que se analizan en este artículo.
En la parte superior de la Figura 7 se está el acoplamiento
mecánico de las aspas de con el generador eléctrico. El
generador empleado para este caso es el “3-phase permanent
magnet synchronous machine with sinusoidal back emf
(current-type interface)”, con las siguientes características: 1.5
Ω de resistencia en el estator (Rs), 10 mH en las inductancias
del estator en la componente d y q (Ld y Lq), respectivamente,
4 kg∙m2 en el momento de inercia (J) y 4 polos. Para controlar
el generador se realiza un acoplamiento eléctrico a mecánico
basado en corriente, con lo que se relaciona con el torque que
generan las aspas para mover el generador está relacionado a
la corriente. Debido a esta dependencia de corriente se emplea
una fuente de corriente dependiente de voltaje, con una
ganancia unitaria, esto es debido a que el torque se calcula en
base a fuentes de voltaje, en la parte inferior de la Figura 7. La
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Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
carga que se conecta al generador está constituida por la etapa
de potencia necesaria para inyectar la energía a la red eléctrica.
En la parte inferior de la Figura 7 se inicia con una fuente de
voltaje que permite realizar un barrido de la velocidad del
generador de 100 rpm a 900 rpm. Este barrido de la velocidad
del generador permite evaluar el comportamiento del
aerogenerador dependiendo del coeficiente de la turbina,
aplicando en el módulo “FuncionCP” la ecuación (10) y la
Tabla 1 para el caso de los modelos polinomiales, la ecuación
(11) y la Tabla 2 para el caso de los modelos senoidales y las
ecuaciones (12) y (13) y las Tablas 3 y 4, así como, las
ecuaciones (2), (3), (7) y (8) requeridas para todo el análisis
del comportamiento del aerogenerador.
Figura 7. Circuito eléctrico en PSIM, para realizar el estudio de los diversos modelos.
La Figura 8 muestra las curvas de la Potencia (𝑃𝑎) en la parte
superior y del Par (𝑇𝑚) en la parte inferior, considerando los
modelos basados en una función polinomial de 3er orden, 4to
orden, 5to orden y 7mo orden. Se observa que el
comportamiento es el mismo que se obtuvo en el análisis
matemático que se muestra en las Figuras 1 y 2, recalcando
nuevamente que el modelo en base a una función polinomial
de cuarto orden, no tiene un comportamiento adecuando tanto
de potencia como en par, debido a que presenta un incremento
de su valor, una ver que ya había bajado, por lo cual, para este
modelo se debe de limitar la velocidad de giro de la turbina a
770 rpm. Además, se coincide con el análisis matemático de
los modelos de la función polinomial de tercer y quinto orden
donde el valor del par a bajas velocidades es alto en
comparación con los demás, razón que se debe de considerar
para el diseño del aerogenerador.
Figura 8. 𝑃𝑎 y 𝑇𝑚 del modelo Polinomial de 3er, 4to, 5to y 7mo orden
De acuerdo a los modelos basados en una función sinusoidal,
se obtuvieron las curvas de la Potencia (𝑃𝑎) y del Par (𝑇𝑚) de
los modelos basados en una función sinusoidal, los cuales
fueron propuestos por Coto et al., Merahi et al., Noura et al.,
Moussa et al. y Xin et al. Las curvas se muestran en la Figura
9. De donde se observa que el comportamiento es igual al
comportamiento que se obtiene en el análisis matemático
mostrado en las Figuras 3 y 4. Llegando a la misma
observación, en la cual se establece que la diferencia básica
Pa
(W
)T
m (
Nm
)
(rpm)
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Estudio Comparativo del Desempeño de las Turbinas Eólicas en relación a sus Coeficientes de Potencia y de Par
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
esta en relación a la amplitud máxima obtenida en la potencia
y del par y de la velocidad de giro a la que se obtienen estos
valores máximos, aunado al intervalo de velocidades de giro
que el modelo es útil. En relación al par a bajas velocidades de
giro se obtienen también valores altos, los cuales deben ser
considerados al momento de diseñar la turbina.
Figura 9. 𝑃𝑎 y 𝑇𝑚 del modelo sinusoidal propuesto por Coto et al., Moussa et
al., Noura et al, Xin et al. y Merahi et al.
Con respecto a los modelos basados en una función
exponencial, la Figura 10 muestra las curvas de la Potencia
(𝑃𝑎) y del Par (𝑇𝑚) de los modelos propuestos por Aguayo et
al., Ahmad et al., Bustos et al., Cai et al., Feng Gao et al., Kaur
& Khahuria, Kotti et al. y Llano et al. Realizando una
comparación con el análisis matemático de estos modelos
mostrados en las Figuras 5 y 6 se observan que son iguales y
de la misma manera se observa que la diferencia entre ellos
radica principalmente en la amplitud de la potencia y del par y
de la velocidad de giro a la que se obtienen estos valores,
además, del intervalo de velocidad de giro de la turbina a la
cual son válidos.
Figura 10. 𝑃𝑎 y 𝑇𝑚 del modelo exponencial propuesto por Aguayo et al.,
Bustos et al., Kotti et al., Kaur & Khahuria, Feng Gao et al., Llano et al., Cai
et al., y Ahmad et al.
6. DISCUSIÓN
Los modelos basados en una función polinomial dependen
únicamente de 𝜆, ya que consideran un ángulo de ataque
constante, debido a que estos modelos son empleados
principalmente en sistemas de generación eólicas de baja
potencia, ya que controlar el ángulo de ataque es muy costoso
en relación a la energía que se obtiene. Los modelos
exponenciales y sinusoidales dependen tanto del ángulo de
ataque de la pala (𝛽) como de la velocidad específica (𝜆) y se
emplean en sistema de generación eólica de mediana y alta
potencia.
En los modelos basados en una función sinusoidal, se observa
que la potencia (𝑃𝑎) solo varía su amplitud y en el periodo,
esto es, desde que el periodo de velocidad de rotación del eje
en rpm (nm) empieza hasta que velocidad termina, por otro
lado, como están basados en una función sinusoidal, si se
aumenta la velocidad de rotación (nm) considerablemente se
genera otra cresta con la misma forma que la inicial, por lo que
el sistema debe estar limitado a un intervalo de velocidad de
rotación (nm).
En cuanto a los modelos basados en una función exponencial
se observa una buena respuesta, debido a que su
comportamiento es muy real y se limita automáticamente, por
lo que no hay que agregar limitadores el intervalo en el que
trabaje en función a la velocidad de rotación (nm).
Realizando un análisis en lo particular de cada uno de los tres
modelos generales, se tiene que de los cuatro modelos
encontrados que obedecen a una función polinomial, el que
presenta el máximo valor de Potencia en la turbina (𝑃𝑎𝑚𝑎𝑥) es
el modelo de tercer orden, con un valor de 1.991 kW a una
velocidad de giro de 628.68 rpm y tiene una respuesta que
representa un comportamiento real (Figura 8 superior, gráfica
de color rojo), al igual que el modelo de quinto y séptimo orden
(Figura 8 superior, gráfica en verde y magenta,
respectivamente). Esta consideración se establece, debido a
que no vuelven a crecer después de una determinada velocidad
de rotación, como si lo hace el modelo de cuarto orden (Figura
8 superior, gráfica azul); por lo que este modelo es el que
presenta una mayor desventaja para su aplicación en modelos
reales.
Considerando los cinco modelos que obedecen a una función
basada en una sinusoidal, el que presenta el máximo valor de
Potencia (𝑃𝑎𝑚𝑎𝑥) es el modelo de Merahi et al., ya que su valor
máximo es de 1.948 kW a una velocidad de rotación de 316.65
rpm (Figura 9 superior, gráfica azul). Cabe destacar que todos
los modelos siguen el mismo comportamiento, de manera que
la potencia se difiere de una en otra, solo en la amplitud y el
periodo y no en la forma de tiene la curva de la potencia, como
si lo hacen los modelos basados en funciones polinomiales.
De los ocho modelos que siguen un comportamiento
exponencial, el que presenta el máximo valor de Potencia
(𝑃𝑎𝑚𝑎𝑥) es el modelo de Aguayo et al., ya que su valor máximo
es de 1.832 kW a una velocidad de rotación de 515.66 rpm
(Figura 10 superior, gráfica roja). A diferencia de los modelos
basados en una función polinomial o en una función
sinusoidal, todos los modelos basados en una función
exponencial tienen un adecuado comportamiento en la
Potencia de la turbina y de su par, debido a que todos inician
en valores cercanos a cero.
(rpm)
Pa
(W
)T
m (
Nm
)T
m (
Nm
)P
a (
W)
(rpm)
13
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Al concluir las simulaciones del sistema de potencia completo,
implementando los todos los modelos basados en funciones
polinomiales, sinusoidales y exponenciales; se dedujo que:
Dentro de los modelos polinomiales, el modelo de 4to
orden registró una incongruencia, ya que la curva
característica de potencia tras llegar a su punto
máximo como se observa en la Figura 8, describe un
comportamiento anormal, al no reducirse
gradualmente a cero con el incremento de la
velocidad; de hecho, la potencia continúa
aumentando lo cual no ocurre en las turbinas eólicas
reales.
Al analizar el comportamiento del par en el eje de la
turbina en los sistemas de potencia, se observa que en
algunos casos el par es muy grande, específicamente
superior a 100 Nm. Tal magnitud incidiría
desfavorablemente en el diseño del sistema mecánico
(radio de las palas y en la relación de transformación
de la caja multiplicadora), en una turbina de viento
implantada con máquinas eléctricas de baja potencia
a la considerada en los ensayos (2kW). Bajo tal
circunstancia, se requiere tener en un sistema real
limitadores para controlar que no se genere un par
muy grande.
Por otro lado, en los modelos sinusoidales, la
ecuación matemática no describe el comportamiento
real del modelo, sino que se debe de acotar la
velocidad de rotación, para evitar variaciones
después de un determinado intervalo de velocidades
del generador.
Finalmente, se observa en la Figura 10, que los modelos
basados en una función exponencial describen de mejor
manera el comportamiento de la potencia y el par en el eje de
la turbina eólica.
7. CONCLUSIONES
A partir de la revisión documental realizada para hacer el
estudio comparativo del desempeño de las turbinas eólicas en
relación a su coeficiente de potencia y de par en diferentes
turbinas eólicas, se encontró que la diferencia entre cada uno
de ellos, depende del coeficiente de potencia y de par que se
establece, ya que se pueden tener las mismas características
físicas, como son radio de las palas, número de palas, ángulo
de ataque, paro si cualquiera de uno de los varia, cambia el
comportamiento de la turbina eólica. Dichos coeficientes
dependen básicamente de tres modelos matemáticos basados
cada uno de ellos en una función específica (polinomial,
sinusoidal o exponencial). En este artículo se clasificaron de
acuerdo a estas funciones; y en el caso de los modelos basados
en una función sinusoidal y exponencial se obtuvo una
ecuación general. De acorde a las ecuaciones generales de los
modelos, se establece las Tablas 1, 2, 3 y 4 que establecen los
coeficientes para cada modelo analizado y se agrupan según su
modelo matemático. El análisis del comportamiento de la
potencia y del par se realiza de manera analítica mediante el
uso de Matlab y se corrobora mediante simulaciones realizadas
con PSIM, empleando los mismos parámetros para hacer un
análisis comparativo adecuado.
Para el caso de los modelos basados en función sinusoidal y
exponencial se considera constante el ángulo de ataque a las
aspas. De dichos ensayos, se concluye que tanto el análisis
analítico de Matlab y el simulado de PSIM son compatibles.
Además, los modelos basados en una función exponencial son
los que representan el comportamiento real en todos los casos
estudiados. De la misma manera, se logra el comportamiento
usando el modelo basado en una función polinomial de
séptimo orden. En el caso de los modelos sinusoidales, se debe
de acotar el intervalo de velocidades para dar un
comportamiento real en lo que corresponde a la potencia, no
siendo favorable por los registros de alto par a bajas
velocidades; condición que se extiende también, al resto de los
modelos basados en funciones polinomiales.
Este análisis es la base para la construcción de un emulador de
una turbina eólica que emplee diversos modelos de turbinas de
acorde a su coeficiente de potencia y de par, además de los
parámetros propios de la turbina; Esto es debido a que esta
análisis permite conocer diversos modelos de marera que estos
sean introducidos al emulador y que además se permita el
cambio de los coeficientes de los modelos de acuerdo a la
función que se establezca, para que se puedan evaluar nuevas
turbinas que se construyan o se reporte. Este emulador se desea
construir para tener una herramienta que permita evaluar
diversos sistemas de generación eólica, así como, los
algoritmos de búsqueda del punto de máxima potencia.
Los resultados expuestos serán de utilidad para escalar la
plataforma a diseñar, tomando en consideración los registros
más, acertados de par y de potencia. Estos parámetros son
fundamentales para la elección del generador a impulsar, el
cual deberá estar acoplado mecánicamente a un motor
controlado por un accionamiento electrónico. Bajo tal
circunstancia, no es relevante los aspectos limitantes como el
radio de las turbinas, la relación de la caja multiplicadora, el
control de posicionamiento de las palas, etc.
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BIOGRAFÍA
M. en C. Viviana Reyes Andrade es ingeniera
Eléctrica egresada del Instituto Tecnológico de
Puebla en 2010. Es Maestra en Ciencias en
Ingeniería Eléctrica en la sección de posgrado de
la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica SEPI-ESIME-IPN, Unidad Zacatenco,
México, en el 2015. Sus principales áreas de interés son: control de
convertidores electrónicos de potencia para aplicaciones en fuentes
renovables, y sistemas de generación eólica.
15
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Dr. Oscar Carranza Castillo es Ingeniero en
Comunicaciones y Electrónica, con especialidad
en Electrónica en la ESIME del IPN, es Maestro
en Ciencias en Ingeniería Electrónica con
especialidad en Instrumentación en la ESIME del
IPN y obtuvo su doctorado en ingeniería
electrónica en enero del 2012 en la Universidad Politécnica de
Valencia. Desde 1999 es Profesor Investigador en la Escuela Superior
de Cómputo de tiempo completo. Actualmente colabora en el
Programa de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME del Instituto
Politécnico Nacional en la Ciudad de México. Miembro del Sistema
Nacional de Investigadores de México. Su área de interés es
Electrónica de Potencia aplicada a las energías renovables.
Dr. Jaime José Rodríguez Rivas recibo el grado
B.S. por la Universidad Central de Las Villas
(UCLV), Santa Clara, Cuba, in 1980, y el M.S. y
el Ph.D. en Ingeniería Eléctrica en 1987 y 1991,
respectivamente en el Instituto de Ingeniería de
Potencia de Moscú en Rusia, De 1980 a 1994 fue
Profesor Asociado en la Universidad Central de
Las Villas, UCLV, Cuba. Desde 1996 es Profesor Titular del
Programa de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) unidad Zacatenco, del
Instituto Politécnico Nacional (IPN) en la Ciudad de México.
Miembro del Sistema Nacional de Investigadores de México. Sus
principales áreas de investigación son: accionamiento electrónico de
máquinas de corriente alterna, electrónica de potencia, tracción
eléctrica y generación eólica y fotovoltaica.
Dr. Rubén Ortega González es Ingeniero
Electricista del Instituto Politécnico
Nacional (1999). Obtuvo el grado de Doctor
en Ciencias en Ingeniería Electrónica en la
Universidad Politécnica de Valencia,
Valencia, España (2012). Actualmente es
profesor en la Escuela Superior de Computo,
Instituto Politécnico Nacional desde 1995 y colabora en el
Programa de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME del
Instituto Politécnico Nacional en la Ciudad de México.
Miembro del Sistema Nacional de Investigadores de México.
Sus principales áreas de interés son el modelado y control de
convertidores electrónicos de potencia aplicados a la
generación distribuida en micro redes, y el procesamiento
digital de señales.
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Contribución para la Implementación de una Red de Detección de Rayos en Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
[email protected] Recibido: 15/11/2017
Aceptado: 07/03/2018
Publicado: 30/04/2018
11. INTRODUCCIÓN
Las descargas atmosféricas también conocidas como rayos,
siempre estuvieron presentes en la historia de la humanidad.
Es por ello que una de las manifestaciones más llamativas de
las tormentas son las descargas eléctricas, generadas ya sea
entre nubes o de nube a tierra.
Benjamín Franklin marcó un hito en la historia de la
humanidad, en el año de 1 752 y como resultado de uno de sus
experimentos llegó a la conclusión, de que los rayos son
descargas eléctricas. Posteriormente afirmó que la colocación
de una punta metálica (pararrayos) en la parte superior de
cualquier estructura atraería a los rayos que luego serían
conducidos a tierra y finalmente toda la estructura estaría
protegida.
Ahora bien, en el país se tiene un nivel ceráunico significativo
como es el caso de la Amazonía con un valor de 120 y no
cuenta con una red de detección de descargas atmosféricas.
Entonces por seguridad y prevención es necesario una red que
ayude de manera fidedigna con la detección anticipada de la
formación de las tormentas, disponiendo de información fiable
y en tiempo real sobre su cercanía pues de esta manera permite
tomar medidas de carácter temporal que eviten riesgos y
asegurar los servicios de prioridad.
Para este análisis se considera las descargas atmosféricas como
un fenómeno natural de características físicas y eléctricas
debido a la presencia de una diferencia de potencial de elevada
magnitud en la atmósfera. Este fenómeno da origen a
problemas en los sistemas eléctricos de transmisión y
distribución de energía, provoca cuantiosas pérdidas de
Contribución para la Implementación de una Red de Detección de
Rayos en Ecuador
Verdugo, Karla1; Aires, Luis1; Merchán, Hernando2
1Instituto Politécnico de Leiria, Escuela Superior de Tecnología y Gestión, Leiria, Portugal
2Universidad de Cuenca, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Cuenca, Ecuador
Resumen: Debido a la falta de sistemas de información sobre la ocurrencia de descargas atmosféricas en el país, se
presenta el punto de partida para una futura implementación de una red de detección de rayos en el Ecuador, mediante
un análisis de los diferentes parámetros directos o indirectos que influyen en la generación de las descargas
atmosféricas. Se ha tomado como referencia, los indicadores para la ocurrencia de rayos en Ecuador así como la
demografía e zonas sensibles a proteger, con el fin de identificar los lugares adecuados para la colocación de los
sensores y así detectar de manera eficiente el campo electrostático generado por una nube de tormenta. Para ello se
utilizó información técnica de sensores existentes en el mercado para determinar los más idóneos al momento de
estructurar la red. Finalmente se presenta dos propuestas de red (caso óptimo, menor costo) para luego hacer un
análisis técnico-económico y presentar la mejor opción.
Palabras clave: Rayos, Campo eléctrico, Campo electromagnético, Sensor de rayos.
Contribución para la Implementación de una Red de Detección de
Rayos en Ecuador
Abstract: Due to the lack of information systems on the occurrence of atmospheric discharges in the country, the
starting point for a future implementation of a lightning detection network in Ecuador is presented, through an analysis
of the different direct or indirect parameters that they influence the generation of atmospheric discharges. The
indicators for the occurrence of lightning in Ecuador as well as the demography and sensitive areas to be protected
have been taken as a reference, in order to identify the adequate places for the placement of the sensors and thus
efficiently detect the electrostatic field generated by a storm cloud. To this end, technical information from existing
sensors in the market was used to determine the most suitable when structuring the network. Finally, two network
proposals are presented (optimal case, lower cost) to then make a technical-economic analysis and present the best
option.
Keywords: Rays, Electric field, Electromagnetic field, Lightning sensor.
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Verdugo, Karla; Aires, Luis; Merchán, Hernando
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
equipos eléctricos y electrónicos, destruye bienes materiales y
es el causante de muertes de personas y animales.
En la actualidad se disponen de redes globales, una de ellas es
la red denominada World Wide Lightning Location Network
(WWLLN) en tiempo real, que permite disponer de
información global sobre las descargas atmosféricas. Estas
redes de detección consisten en antenas y sensores los cuales
pueden ser de campo eléctrico o campo electrostático, los
cuales se encuentran ubicados en tierra o en satélites que
perciben la presencia de las descargas de manera instantánea.
Partiendo de estas referencias y sabiendo que las descargas
atmosféricas son fenómenos de la naturaleza absolutamente
imprevisibles y aleatorios, el interés de obtener información
útil para la protección de diferentes campos de la actividad se
vuelve urgente, con lo que se podría garantizar la seguridad de
las personas al momento de una descarga.
El objetivo es aportar mediante, la difusión de información y
avisos meteorológicos como mecanismos de acción preventiva
antes de que ocurra una descarga. Para ello se propone el
establecimiento de una red de detección de rayos en el Ecuador
mediante la instalación de sensores en puntos geográficos
estratégicos que permitan la medición del campo eléctrico
ambiental desde la etapa inicial de la tormenta y la captura de
la radiación electromagnética generada por descargas
atmosféricas. Buscando así tener la máxima cobertura y
permitir la detección anticipada de la presencia de una nube de
tormenta electrificada.
Finalmente, se establecerá dos propuestas de una red de
sensores distribuidos equilibradamente e interconectados con
una red de transmisión de datos que permita enviar la
información a los usuarios finales. Teniendo por base el
equilibrio entre la eficiencia y el bajo costo. Se indicará su
respectivo costo de implementación.
2. CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO
2.1 Localización
Ecuador, es un país latinoamericano ubicado al noroccidente
de Sudamérica. Limita al norte con Colombia, al sur y al este
con Perú. El océano Pacífico rodea la costa y al oeste se
encuentran las Islas Galápagos que están ubicadas a
aproximadamente 1 000 km de la Costa.
2.2 Geografía
La cordillera de los Andes divide el territorio de norte a sur,
dejando a su límite occidental el golfo de Guayaquil (Costa) y
una llanura boscosa al oriente (Amazonía). El país tiene un
área de 283 561 km², con 16 776 977 habitantes según el
Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (Censos, 1976).
2.3 Clima
Debido a la presencia de la cordillera de los Andes y por la
influencia del mar (la Corriente del Niño, la corriente de
Humboldt) (Cedeño & Donoso, 2010), el Ecuador es
climatológicamente variado. El país cuenta dos estaciones
definidas: la húmeda y la seca, conocidas como invierno y
verano respectivamente. A continuación, se detallan
características generales en cada region:
Amazonia: tiene un clima cálido, húmedo y lluvioso
constante todo el año. La temperatura promedio varía
entre los 23 y los 26 ºC. Corresponde a los territorios
ubicados por debajo de los 1 300 m.s.n.m. en las
derivaciones orientales de los Andes, incluyendo todas las
cordilleras y tierras bajas hacia el Este, constituye la parte
occidental de la cuenca amazónica (Instituto
Oceanográfico de la Armada, 2005).
Sierra: En los Andes las temperaturas varían desde los 0
ºC hasta los 24 ºC en dependencia de la altitud la cual varía
desde los 500 msnm hasta sobrepasar los 5 000 msnm y la
época del año. Presenta dos cadenas montañosas que
corren paralelas de norte a sur y encierran concavidades
intermedias, de aproximadamente 40 km de ancho, en las
que se forman valles separados por cadenas transversales
denominadas nudos.
Costa: El clima es muy cálido con temperaturas que varían
entre 25 y 31 ºC durante todo el año. Es una región
alargada, de entre 100 y 200 km de ancho, con una
superficie relativamente plana. Se encuentra situada bajo
los 1 300 m.s.n.m. en las derivaciones occidentales de los
Andes y El Océano Pacífico, incluyendo las cordilleras
costeras y las tierras bajas.
Islas Galápagos: El clima está definido por las corrientes
oceánicas. Por lo general, de junio a diciembre, la fría
Corriente de Humboldt llega del sur que genera una niebla
húmeda y fría conocida garúa cerca del océano, lo cual
crea un clima frío y seco. Por lo general cuenta con una
temperatura promedio de 22 a 25 ºC y los meses lluviosos
corresponden a febrero, marzo y abril (Instituto
Oceanográfico de la Armada, 2005).
Según el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrografía
(INAMHI) las brisas marinas que nacen del océano Pacifico y
nubosidades provenientes del Brasil, han provocado las
variaciones climáticas presentes en el país tales como:
disminución de temperatura y lluvias intermitentes en la región
Litoral. Mientras que en la Amazonía se producen las
tormentas eléctricas (Secretaria de Gestion de Riesgos, s.d.).
Es por ello que gran parte de la región Amazónica y parte de
la provincia de Esmeraldas por tener un clima tropical húmedo
tienen mayor probabilidad para la ocurrencia de las descargas
atmosféricas. Por consiguiente, son los lugares más favorables
para la colocación de los sensores
2.4 Precipitación y temperatura
La precipitación si bien es cierto es un indicador indirecto de
la probabilidad de la ocurrencia de los rayos. En las gráficas 1
y 2 se presentan la precipitación mensual y anual
respectivamente, datos proporcionados por el INAMHI de
donde se puede concluir cuales son los lugares más
tendenciosos según este parámetro para la ocurrencia de
descargas atmosféricas.
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Contribución para la Implementación de una Red de Detección de Rayos en Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Figura 1. Mapa de Precipitación Mensual en el Ecuador.
Figura 2. Mapa de Precipitación Anual en el Ecuador.
De los mapas anteriores resulta que, las zonas en donde se
tiene una mayor precipitación según las escalas propuestas por
el INAMHI, en el gráfico 3 es la Amazonia en su gran mayoría
con el valor más alto de precipitación en la provincia de
Pastaza. Análogamente, en la gráfica 4 en cuanto a la
precipitación anual se tiene una cifra elevada en la parte central
y norte de la región Amazónica, además de una parte de la
provincia de Esmeraldas al norte del país.
3. INDICADORES DE LA OCURRENCIA DE RAYOS
Existen actualmente algunos indicadores (directos o
indirectos) además de parámetros que muestran las zonas de
Ecuador donde son registrados o potencialmente los mayores
índices de ocurrencia de rayos, entre ellos están los siguientes:
Datos de Lightning Imaging Sensor (LIS).
Nivel Ceráunico.
Número de muertes a causa de los rayos.
3.1 Base de datos del satélite LIS (lightning imagine sensor)
En la Figura 3 se presenta un mapa en donde se muestra la
información del satélite (LIS) que posee la NASA, en donde
mediante una escala de colores se indica el número promedio
anual de descargas por km².
Figura 3. Descargas anuales por km2 según el satélite LIS, periodo Abril
1995 – Febrero 2003
Según la escala de colores se puede constatar que en la región
amazónica es en donde hay una mayor presencia de descargas,
presentándose para esta zona aproximadamente entre 10 a 20
descargas anuales por km².
3.2 Nivel ceráunico
El nivel ceráunico se puede definir como el número promedio
de días al año en los que se presenta una tormenta, es decir se
escucha un trueno y cae al menos un rayo. Se suelen expresar
por medio de mapas con curvas de nivel isoceráunico como se
muestra en la Figura 4.
Figura 4. Nivel ceráunico en Ecuador.
De acuerdo a la Figura 3, para el Ecuador la densidad de
descargas a tierra es cerca de 20 tormentas con descargas
anuales (National Weather Service, s.d.). Sin embargo,
mediante la gráfica 4 se puede tener una idea más clara de los
lugares en donde se tiene un mayor número de descargas.
19
Verdugo, Karla; Aires, Luis; Merchán, Hernando
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Por lo tanto, se tiene un mayor nivel ceráunico en la provincia
de Pastaza, específicamente en la ciudad de Puyo con una
cantidad aproximada de 100 a 120 días al año en los que se
presenta una tormenta. Seguido de las provincias: Pichincha,
Esmeraldas, Guayas y Loja que de igual forma presentan un
nivel ceráunico significativo en el país.
3.3 Número de muertes a causa de los rayos
Se tomó como referencia el número de muertes originadas por
los rayos como ayuda para la distribución de los sensores, para
ello se averiguó en publicaciones web la cifra de muertes en
Latinoamérica. El país que encabeza esta lista es Brasil con
130 personas/año y Ecuador con un número de 5 personas.
Luego se buscó información procedente de medios de
comunicación locales para conocer los lugares en donde se
tiene muertes a causa de este fenómeno natural, en donde se
tiene lo siguiente para los años (2014 – 2016):
Loja, seis personas fallecidas.
Chimborazo y Tulcán, dos personas fallecidas.
Quito, una persona fallecida.
4. PROPUESTA DE LA RED
A partir del análisis de los diferentes parámetros descritos
anteriormente para ubicar los lugares idóneos para la
colocación de los sensores, se debe considerar que lo que se
pretende es equilibrar gastos para no colocar los sensores en
donde no exista actividad humana. Por consiguiente, de la
información presentada por (Información estadística, 2011) en
donde se muestra la densidad poblacional en el Ecuador se
puede validar si el lugar establecido es el correcto, dado que
en la región Amazónica existen zonas de muy baja densidad
poblacional.
Entonces se puede concluir que los lugares aptos para la
colocación de los sensores son en su mayoría la región
amazónica debido a su clima y a todos los factores que
presenta el lugar y que hacen favorable la formación de
tormentas eléctricas. Sin embargo, hay otros parámetros que
se deben tomar en cuenta tales como la densidad poblacional,
actividades desarrolladas en la zona (petroleras, mineras,
hidroeléctricas, aeropuertos, etc.) con el fin de ubicar los
sensores en lugares estratégicos tales como las grandes
ciudades, con lo que se garantizaría la protección ciudadana y
del medio ambiente. Tomando en cuenta esos parámetros los
lugares adecuados siguiendo el principio de reducir costos,
serían los presentados en la Figura 5.
Figura 5. Ubicación de los sensores en Ecuador.
Cabe recalcar que bajo condiciones de buen tiempo, es decir
cuando no estén presentes precipitaciones ni vientos, el campo
eléctrico presente en la superficie terrestre tiene un valor
aproximado de 120 (V/m) con dirección positiva. A medida
que las condiciones climáticas varían y la nube de tormenta se
aproxima el campo eléctrico aumenta pero en este caso con
sentido contrario, esto se debe a que las nubes de tormenta
tienen centros de carga negativa los cuales inducen en la
superficie terrestre (suelo) cargas positivas. A continuación en
la Figura 6, se puede visualizar la variación del campo
eléctrico al momento de la descarga, el mismo que puede
alcanzar variaciones de entre ≈ 15 – 20 (kV/m) hasta que luego
se neutralicen las cargas y se estabilice nuevamente el campo
eléctrico (Magina, 2016).
Figura 6. Variación del Campo Eléctrico al momento de una tormenta.
Cabe resaltar que mientras se produce la descarga atmosférica
como ya se mencionó se generan corrientes muy grandes ≈ 20
000 Amperios, las cuales que generan campos
electromagnéticos. Es por ese motivo que se darán a conocer
los sensores que nos serán de ayuda para medir tanto el campo
eléctrico como el campo electromagnético presentes durante el
proceso de la descarga.
Ahora bien, una vez establecidos los lugares en donde serán
colocado los sensores, se procede a indagar acerca de su
disponibilidad en el mercado. En el transcurso de los últimos
años los sistemas de monitoreo y detección detormentas
eléctricas han evolucionado a nivel mundial, estos dispositivos
monitorean las variables que identifican los ciclos de vida de
20
Contribución para la Implementación de una Red de Detección de Rayos en Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
la tormenta, así como características propias de su
desplazamiento, intensidad, entre otras.
En la Tabla 1 se muestran sensores con sus aspectos más
relevantes. De ahí que para el establecimiento de la red se debe
considerar el sensor que presente las mejores características de
todas las especificadas con el fin de presentar un caso óptimo.
Al mismo tiempo se planteará una segunda red con el objetivo
de tener dos opciones estratégicas. De forma general los
componentes que estructuran la Red son:
Sensor,
Procesador Central,
Archivador de Descargas,
Pantallas,
Servicios o usuarios finales.
Por lo general, la manera de ubicar los rayos es utilizando un
sistema de localización o LLS (ligthning Location System) el
cual trabaja con un mínimo de 4 a 5 sensores y un procesador
central. Este sistema una vez que una descarga es detectada por
los sensores se utiliza dos procesos ya sea el Time of Arrival
(TOA) o el Magnetic Direction Finding (MDF). TOA para la
localización de la descarga utiliza un mínimo de 3 sensores en
donde cada para de sensores determinan una hipérbola y la
intersección de esas hipérbolas serán las que de una referencia
de donde ocurrió la descarga, mientras que el método MDF
triangula los resultados de los sensores mediante un
procesador central y un algoritmo determina el ángulo con un
error mínimo ubicando el origen de la descarga (Atallah,
2016).
Por lo tanto, para el establecimiento de la primera red se
proponen los sensores: LS 7002 y BTD 300 de campo
electromagnético y de campo eléctrico respectivamente.
Tabla 1. Costo de la primera propuesta de Red.
CARATE-
RISTICAS EFM 550
ATSTORM
v2 EFM 100 BTD - 300 LS 7001 LS 7002 TSS928
TIPO VAISALA
(Campo eléctrico
atmosférico)
at3w (sensor
electrométrico
de campo controlado)
BOLTEK (campo
eléctrico)
Biral UK (campo
eléctrico)
VAISALA
(campo
electromagnético)
VAISALA
(campo
electromagnético)
VAISALA
(campo
electromagnético)
Radio de
cobertura 5km 20 km 38 km 83 km 350 km 350 km 0 - 56 km
Eficiencia rayos
CG x x x 95% > 90% 95% > 90%
Eficiencia rayos
CC x x 10 - 30% 50% x
Calibración manual automática manual automática manual y
automática automático y
manual
Peso 0,68 kg 9,10 kg 5,75 kg 25 kg 37,40 kg 37,40 kg
Altura 61 cm 350mm+ mástil 2m
17 cm 2,46 m 2,20 m 2,20 m 1,57 m
Ancho 22,90 cm 26 cm 13 cm 68 cm 40 cm 40cm 30,50 cm
Componen-tes tiene partes mecánicas
electrónicos sin piezas móviles
sin piezas móviles
sin piezas móviles
Funciona-miento (-23 a +46 ºC) (-40 a 85 °C ) (-40 a 60 C / -40 a
140 F) (-40 a 60 °C ) (-40 °C a +55 °C)
(-40 °C to +55
°C) -50°C to +50°C (
Consumo de
energía 2,3W 15W 4 W 10 W 100W máx.
Manteni-miento mantenimiento
mínimo
no es necesario un
mantenimiento
continuo
mantenimiento
mínimo
mantenimiento
mínimo
mantenimiento
mínimo
mantenimiento
mínimo
mantenimiento
mínimo
Observacio-nes
Servicio de
calibración de fábrica una vez
cada tres años
táctil (4niveles
de alarma de
acuerdo a las necesidades
del cliente) se
puede conectar a una
red
informática
4 Altos niveles de alarma de campo
Posee un módulo
opcional que
permite detectar a distancia y la
dirección de la
caída del rayo.
Compatible con
sus predecesores, los sensores
Vaisala IMPACT
min 4 para la red
15 a 350km entre los sensores
recomendada
El formato de datos admite la
interfaz directa
con los sistemas de comunicación
comunes y
autodiagnóstico para comprobar
el estado de la
función del sensor.
La segunda opción estaría compuesta por los sensores de
campo eléctrico BTD 300.
En cuanto a la primera opción el sensor LS 7002 trabaja con
una base de datos específica es decir constaría de un software
y un procesador de datos concreto para su funcionamiento al
cual se le conectaría los datos del sensor BTD 300, el costo de
implementación de esta red en dólares es el presentado en la
Tabla 2.
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Verdugo, Karla; Aires, Luis; Merchán, Hernando
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Tabla 2. Costo de la primera propuesta de Red.
PRIMER CASO (USD)
Ítem Cant. Dispositivo
Precio
Unitario
($)
Precio
Total ($)
1 4 Sensor LS7002 94.451,00 377.804,00
2 1 Procesador TLP-100 226.533,00 226.533,00
3 1 Software LTS2005 5.800,00 5.800,00
4 1
Registro de salida de datos
en formato ASCII para
otras aplicaciones de Software
2.175,00 2.175,00
5 1 Sistema de almacenamiento de
imágenes
2.899,00 2.899,00
6 2 Sistema de notificación de alerta TWX300
3.683,00 7.366,00
7 2 Pantallas de 24" para el display del Sist. Alerta
920,00 1.840,00
8 4 Sensor BTD 300 11.600,00 46.400,00
9 4 Computadoras 700,00 2.800,00
TOTAL 673.617,00
Para este caso los sensores de campo electromagnético por
tener un mayor radio de cobertura estarían distribuidos en el
país de tal forma que se cubra el mayor parte del territorio
ecuatoriano, es decir estarían ubicados en las provincias
(Pichincha, Guayas, Loja y Pastaza) mientras que los sensores
de campo eléctrico estarían ubicados en las provincias (Azuay,
Cotopaxi, Pastaza y Manabí) como se observa en la Figura 7.
Figura 7. Ubicación de los sensores primera propuesta.
Para la segunda opción el costo se reduce considerablemente
(≈ $575 000) por el hecho de que se utilizaría sólo sensores de
campo eléctrico (BTD 300) ubicados en los puntos ya
establecidos anteriormente.
Para este caso lo que se propone es que de ser favorable su
implementación se considere el conectarse una red existente
por ejemplo una red meteorológica para la transmisión de
datos, su costo (dólares) de implementación se indica en la
Tabla 3.
Tabla 3. Costo de la segunda propuesta de Red. SEGUNDO CASO (USD)
Item Cantidad Dispositivo Precio
Unitario ($)
Precio
Total ($)
1 8 Sensor
BTD 300 11.600,00 92.800,00
2 8 Computa-
doras 700,00 5.600,00
TOTAL 98.400,00
Con estas dos propuestas se tiene un punto de partida para la
implementación de una red de detección de rayos en el país, la
cual sería de ayuda para los siguientes usuarios finales:
Meteorología,
Aviación,
Minería,
Sector Marítimo,
Seguros,
Incendios Forestales,
Eventos Deportivos,
Playas,
Operaciones al Aire libre,
Energía (Generación, Transmisión, Distribución).
Finalmente, la entidad dentro del país que gestionaría esta red
sería la Secretaria Nacional de Riesgos la cual se encarga de
garantizar la protección de personas y colectividades de los
efectos negativos de desastres de origen natural o antrópico,
mediante la generación de políticas, estrategias y normas que
promuevan capacidades orientadas a identificar, analizar,
prevenir y mitigar riesgos para enfrentar y manejar eventos de
desastre; así como para recuperar y reconstruir las condiciones
sociales, económicas y ambientales afectadas por eventuales
emergencias o desastres (Secretaria de Gestión de Riesgos,
s.d.).
5. CONCLUSIONES
Entre los fenómenos naturales que se producen cotidianamente
está el rayo, el que según su intensidad puede ser más o menos
peligroso. Existen medidas de prevención objetivo de este
estudio que pueden evitar accidentes e incluso la muerte por
exposición al mismo. Es por ello que para concluir este estudio
a continuación se exponen las conclusiones obtenidas.
Debido a que el radio de cobertura de los sensores LS 7002 a
utilizarse es hasta 350 km, disminuye el número necesario para
la implementación de la red y por ende el costo de
implementación.
Se debería considerar que una red híbrida (Primera Propuesta)
permitiría obtener información relevante sobre el fenómeno de
las descargas atmosféricas (localización, tiempo, amplitud,
etc.). Además esta red cuenta con su propio software para el
procesamiento de datos y utiliza dos métodos para la ubicación
de la descarga (TOA y MDF), procesos que no todos los
sensores poseen.
En cuanto a la segunda opción de red indicada en la sección
4.6, no debería ser desmerecida por el hecho de que su costo
es relativamente menor comparado con la primera red o por el
radio de cobertura que presentan. Hay que considerar que para
una protección preventiva eficaz, es necesario detectar la
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Contribución para la Implementación de una Red de Detección de Rayos en Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
tormenta antes de que se produzca este incremento brusco del
campo eléctrico en la zona a proteger. Consecuentemente estos
sensores presentan un nivel de eficiencia alta además de
ayudar a identificar una tormenta desde su etapa inicial.
Con las dos propuestas de red, lo que se pretendió es utilizar
detectores de tormentas con tecnologías actuales que
proporcionen información de la actividad eléctrica atmosférica
fiable en tiempo real y monitorizada. Además que permitan
tomar medidas de carácter temporal que eviten riesgos y
aseguren los servicios más importantes.
Para la implementación de una red de detección de rayos se
recomienda utilizar sensores con un rendimiento superior al
90% como se especifica en la norma internacional IEC 62793.
Pues la localización de la actividad nube-tierra es importante
para las acciones preventivas.
Pues dicha red al estar ubicada en la frontera disminuiría el
número de sensores a utilizarse en el Ecuador ya que se podría
compartir la información existente con el vecino país.
Finalmente, en cuanto a la ubicación de los sensores el objetivo
principal fue buscar lugares estratégicos es decir, se consideró
diferentes factores como: labores que se desarrollan en el área
y el impacto económico que ocasionaría el efecto de las
descargas atmosféricas. Más sin embargo los lugares
establecidos son sólo puntos de partida para las personas que
tengan interés en la futura implementación de este proyecto
REFERENCIAS
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http://www.isem.org.pe/files-public/portal/reuseg/2016/06/pdf/dario.pdf
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http://www.ecuadorencifras.gob.ec/censo-de-poblacion-y-vivienda/ Holzworth , R. (s.f.). World Wide Lightning Location Network (wwlln.net).
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Magina, F. (2016). Sistema de alerta de ocorrência de raios utilizando rede de
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Secretaria de Gestion de Riesgos. (s.f.). Instituto de Meteorología e
Hidrografía (INAMHI). Recuperado el Enero de 2017, de http://www.serviciometeorologico.gob.ec/
Karla Isabel Verdugo González
(1990), Ingeniera Eléctrica por la
Universidad de Cuenca, Máster en
Ingeniería de Energía y de Ambiente
en el Instituto Politécnico de Leiria,
Portugal. Tiene desarrollado estudios
acerca de la Incidencia del Programa
Cocción Eficiente en la Demanda
Máxima Unitaria para el cantón la
Troncal. Actualmente se encuentra
laborando en la Empresa ARTELIA como parte de apoyo en
el Área de Fiscalización del proyecto Tranvía de los Cuatro
Ríos de Cuenca.
Luis Miguel Igreja Aires, Licenciado
en Ingeniería de Ambiente por la
Universidad de Trás-os-Montes e Alto
Douro, Doctorado en (PhD) en
Ciencias Aplicadas al Ambiente en la
Universidad de Aveiro, Portugal.
Desde el 2008 es profesor adjunto en
el Departamento de Ingeniería de Ambiente de la Escuela
Superior de Tecnología y Gestión del Instituto Politécnico de
Leiria, Portugal. Tiene desarrollado investigaciones en el área
de Micrometeorología, Alteraciones Climáticas y
Contaminación del Aire.
Hernando Merchán Manzano (1956),
ingeniero eléctrico (EPN); MSc. por la
Politécnica de Mons-Bélgica; MBA
por el IDE-UTE. Profesor de la
Facultad de Ingeniería de la
Universidad de Cuenca desde 1982 y
decano (2001-2005). Profesor invitado
de la Universidad de Artois, Francia;
Director Académico del Consejo
Nacional de Educación Superior y
Director de Formación y Difusión del INER. Ha realizado
investigaciones en técnicas de las altas tensiones, sistemas de
puesta a tierra, protección contra las descargas atmosféricas y
energías renovables. En los últimos años ha trabajado en
estudios sobre escritura académica y científica para las
carreras de ingeniería.
23
24
Automatización del sistema de control de la máquina empaquetadora de Blíster
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
[email protected] Recibido: 03/05/2016
Aceptado: 14/02/2018
Publicado: 30/04/2018
11. INTRODUCCIÓN
Las fábricas automatizadas deben proporcionar en sus
sistemas confiabilidad, eficiencia y flexibilidad, que satisfagan
la demanda del mercado, exigiendo que posean máquinas
competitivas con un alto grado tecnológico. Una de las bases
principales es el control, seguimiento y análisis de los procesos
productivos de una forma secuencial. (Vallejo H, 2009)
El objetivo principal de este proyecto es automatizar el sistema
de control de la máquina empaquetadora de blíster.
La farmacéutica necesita de este sistema para aumentar la
producción por día, que satisfaga la demanda nacional,
logrando con esta automatización se mejore el rendimiento y
eficiencia del empaquetado.
El nuevo sistema de automatización utiliza un autómata
inteligente de la familia de SIEMENS y dos módulos de
ampliación para su proceso.
Cita en el texto (Danilles y Custodio, 2010), que el
funcionamiento del controlador lógico programable es un ciclo
cerrado, donde usa una memoria programable para el
almacenamiento interno de instrucciones, que con funciones
específicas a través de entradas/salidas digitales (ON/OFF)
controla la función la salida del tren de pulsos, y envía pulsos
para el desplazamiento a un driver, éste entrega una frecuencia
necesaria permitiendo el movimiento del motor a pasos para la
dosificación de blíster.
El autómata cuenta con un puerto Ethernet para comunicación
con la HMI y el servidor web, donde se puede acceder
remotamente y verificar cuál es el estado de la máquina.
Vilaboa F. (2004). La metodología a implementar el operador
arranca la máquina y revisa el abastecimiento de blísters y
cajas. Del panel de operador se ingresa maualmente el número
de blísters que se requiere en cada caja e inicia el sistema, con
el movimiento del motor a pasos bota los blísters a la banda
transportadora y al mismo tiempo se acciona una
electroválvula de toma de estuche, que deposita en la banda de
transferencia donde sincrónicamente el blíster ingresa para ser
Automatización del sistema de control de la máquina
empaquetadora de Blíster.
Molina Araujo María José1
1Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, Ambato, Ecuador
Resumen: Este trabajo presenta la automatización del sistema de empaquetado de blíster en una farmacéutica. Donde
se migró de Controlador Lógico Programable con puerto Ethernet para comunicación entre dispositivos, sus entradas
y salidas de alta velocidad controlan un encoder y motor a pasos para la dosificación de blíster, se configuró una
interfaz gráfica que le permite al usuario interactuar con las variables en tiempo real a través del HMI y a través del
servidor web se puede controlar la máquina remotamente. Se optimizó el proceso de empaquetado con la disminución
del tiempo, haciendo posible que la máquina empaquete 20 cajas por minuto, lo que para el personal capacitado es
muy complejo de realizarlo en forma manual.
Palabras clave: Automatización, blíster, control, PLC, proceso.
Automation control system of the blisters machine packaging
Abstract: This paper presents the automation of the blister packaging system in a pharmaceutical company. Where
it was migrated from Programmable Logic Controller with Ethernet port for communication between devices, its
high-speed inputs and outputs control an encoder and stepper motor for blister dosing, a graphic interface was
configured that allows the user to interact with the variables in Real time through the HMI and through the web server
you can control the machine remotely. The packaging process was optimized with the reduction of time, making it
possible for the machine to pack 20 boxes per minute, which for the trained personnel is very complex to do manually.
Keywords: Automation, blister, control, process, PLC.
25
Molina Araujo María José
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
empaquetada, al final se expulsa la caja para su distribución.
2. MÉTODOS
Para la implementación de éste sistema se hizo a través de Tia
Portal V11, que es un innovador sistema de ingeniería que
permite configurar y programar de forma intuitiva y eficiente
todos los procesos de planificación y producción, y se
caracteriza por su homogeneidad única en su género. Ludeña,
A. (2013)
La Farmacéutica posee una máquina empaquetadora de blíster
que fue adquirida a unos proveedores en Alemania. El PLC, la
HMI y el motor a pasos, se encuentran obsoletos y no cuentan
con el software necesario para actualizarlos. Por tal razón en
la actualidad el proceso de empacado se realiza en forma
manual, y al terminar el proceso, el personal encargado
procede a quitar las manchas de huellas dactilares de cada caja
con alcohol, demorando el proceso de producción.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Conforme al estudio realizado, se procedió a la automatización
de un sistema que controle el proceso de empaquetado y que
maximice su producción. Este sistema una vez adaptado según
exigencias del cliente, cumple con una serie de etapas
ordenadas, que optimiza operaciones del proceso.
Para verificar el funcionamiento del sistema de empacado, se
utilizó la interfaz Tia Portal V11.0, que es un software que
reúne todas las herramientas de automatización dentro de un
único entorno de desarrollo. Cuesta, D. (2013)
Se realizó un programa que controle el movimiento de un
encoder y motor a pasos, para la dosificación de blíster y
además controle cada uno de los sistemas a intervenir.
Figura 1. Diagrama lógico del proceso.
La Figura 1 muestra el diagrama lógico del sistema, el PLC
recibe datos de pulsadores, selectores y sensores, que según
lógica de programación, activa las salidas para el control de
contactores, motores, electroválvulas y luces. Y a través de
comunicación Ethernet interactúan con la HMI y con el
servidor web. Rodríguez F. (2012)
La Figura 2 representa la secuencia de pasos que debe seguir
la máquina para el empaquetado de blíster hasta obtener el
producto final.
Existen varios controles para su funcionamiento. Como es el
caso de S1, S2 y S4 son sensores inductivos que detectan la
presencia del producto en el proceso y S3 es un sensor óptico
que detecta si el blíster está listo para el ingreso a la caja.
La Figura 3 muestra el diagrama de flujo del proceso de
automatización, gráficamente se representa el control para el
empaquetado de blíster.
Figura 2. Diagrama del proceso de empaquetado de blíster
IN OUT
26
Automatización del sistema de control de la máquina empaquetadora de Blíster
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Figura 3. Diagrama de flujo de las etapas del proceso
El primer paso en el proceso de empaquetado se realiza con
el ingreso del número de blíster que se requiere en cada caja
desde la HMI. Del panel de operador se activan los selectores
“Con blíster”, “guardas” y “bomba de vacío”, ésta última
debe estar activada para que funcionen las ventosas. Antes
del inicio se debe revisar que todas las puertas de la máquina
estén cerradas para que no exista ninguna clase de
atrapamiento. Con estos pasos de verificación se procede al
arranque del sistema.
Un sensor inductivo detecta la presencia de las ranuras, activa
un motor a pasos que con su movimiento dosifica el blíster y
lo deposita en la banda para ser transportado (Figura 4).
Figura 4. Dosificación de blísters
En la primera posición de esta banda existe un sensor que
verifica que la plaqueta está pasando, activa un registro de
desplazamiento para la toma de caja, que cuando se encuentre
en la sexta posición activa una electroválvula, sincrónicamente
con el estuche abierto ingresa el blíster (Figura 5).
Figura 5. Blísters transportados.
Aquí hay un sensor óptico que verifica que el producto ingreso
a la caja, éste activa un registro de desplazamiento que cuando
no detecta en la octava posición activa una electroválvula de
expulsión. Y si el producto es bueno se desplaza hasta el final
de la cadena y cae a un contenedor para luego ser distribuida
(Figura 6).
Figura 6. Ingreso de blísters a la caja
Para guardar los datos del proceso al apagar la máquina, se
creó variables remanentes, las cuales mantienen sus valores
todo el tiempo de ejecución y el dato no se pierde tras una
desconexión y conexión, el sistema continúa trabajando con
sus valores memorizados.
3.1 Resultados
Se realizaron pruebas en forma manual y con el nuevo sistema
de los tiempos de empaquetado de blíster, y se obtuvieron los
siguientes resultados:
Resultado 1: En el empaquetado de forma manual tres
operarios realizan este proceso, donde se les entrega una
gaveta llena de blíster y cajas. Cada persona debe armar la
caja, ingresar el blíster y sellarla.
En la Tabla 1, se visualiza los resultados del empaquetado en
un tiempo de dos horas, realizadas en tres días, cuya
producción es de un promedio de 1100 cajas por día.
Tabla 11. Resultados en la producción manual.
Fecha Hora Producción
15/09/2014 2H 1000 Cajas
16/09/2014 2H 1200 Cajas
17/09/2014 2H 1100 Cajas
27
Molina Araujo María José
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Resultado 2: Con la máquina a baja velocidad, se
cronometró el tiempo de dos segundos en salir el producto
terminado, si la máquina trabaja dos horas se va a
empaquetar un total de 3600 cajas (Tabla 2).
Tabla 22. Resultados en la producción automatizada. Fecha Hora Producción
15/09/2014 2H 3600 Cajas
16/09/2014 2H 3580 Cajas
17/09/2014 2H 3590 Cajas
La Figura 7 muestra que al final se cumplió con todas las
necesidades de automatización, cumpliendo con los
requerimientos del usuario, mejorando la calidad del producto
y obteniendo un excelente empaquetado de blísters.
Figura 7. Porcentaje de mejora del producto
4. CONCLUSIONES
El sistema permitió incorporar al proceso un autómata, interfaz
gráfica, transductores y salidas que permiten un mayor control
en el proceso de empaquetado.
El principal beneficio, derivado del uso de estos sistemas, es
la disminución del tiempo en el proceso de empaquetado,
dando como resultado un aumento en la producción, en
comparación a la forma manual.
La implementación del sistema permitió mejorar el
rendimiento del empaquetado en un 300 % aproximadamente.
Con esta automatización se mejoró la calidad del sistema de
empaquetado, y con las herramientas de programación del Tía
Portal se controló la toma de caja logrando que el proceso sea
más seguro.
Recomendaciones
Si el cliente requiere el proceso de ingreso de recetas en cada
caja, se programó todo este proceso. Solo se tiene que revisar
los planos e instalar en las entradas especificadas.
Para mejorar el sistema de empaquetado, quedan disponibles
entradas y se las puede utilizar para el control de un scanner,
para que imprima en cada caja la fecha de caducidad del
producto.
REFERENCIAS
Vallejo H., “PLC controladores programables” [En línea].
Disponible en: http:// www.todopic.es/utiles/plc.pdf. [Último
acceso 12 de mayo de 2015]
Danilles S. y Custodio A. (2010), Programación a distancia
del PLC Simatic S7-300 para realizar prácticas virtuales en
ingeniería. UNEXPO, Venezuela.
Cuesta, D. (2013), Automatización de una línea de lavado
para papa criolla. Universidad de la Salle, Colombia.
Ludeña, A. (2013), Diseño e implementación de un sistema
automatizado para la cortadora rebobinadora ksc-140.
Universidad de la Fuerzas Armadas ESPE Sangolquí,
Ecuador.
Rodríguez F. (2012), Automatización de una planta de
fabricación de arroz con leche. Universidad de A Coruña,
España.
Vilaboa F. (2004), Gestión de la automatización de plantas
industriales en Chile. U.T.A. (CHILE), VOL. 12 Nº1, 2004,
pp. 33-41.
BIOGRAFÍA
María José Molina Araujo, nació en
Latacunga un 18 de noviembre de
1989, su educación primaria la realizó
en la Escuela Fiscal de niñas “Elvira
Ortega”, sus estudios secundarios en
el “Instituto Tecnológico Superior
Victoria Vásconez Cuvi” y su
educación superior la realizó en la
“Universidad Técnica de Ambato”, obteniendo el Título de
Ingeniera en Electrónica y Comunicaciones. Su experiencia
laboral la inicio en INDUMATIC, actualmente trabaja como
Ingeniera de Proyectos en la Empresa INSE3 Eficiencia
Energética.
28
Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano.
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
[email protected] Recibido: 29/06/2017
Aceptado: 21/03/2018
Publicado: 30/04/2018
11. INTRODUCCIÓN
Los crudos parafínicos poseen estructuras de elevado peso
molecular, entre ellas las ceras o parafinas que tienen más de
16 carbonos (Outlaw y Ye, 2011). Las parafinas a temperaturas
inferiores a la de enturbiamiento o temperatura de aparición de
cera (W.A.T. por sus siglas en inglés) cristalizan y pueden
depositarse en la superficie de las líneas de transporte de crudo
lo que causa un bloqueo parcial o total de la tubería, la
remoción de estos sólidos involucra grandes gastos
económicos (Correra, Fasano, Fusi y Primicerio, 2006).
Estudios desarrollados por Paso y Fogler (2004), señalan que
los descensos de temperatura ambiental favorecen la
formación de depósitos de parafinas que reducen el diámetro
interno del ducto y generan aumento de presión en equipos de
bombeo y en casos extremos taponamiento de la tubería. El
mecanismo de deposición de un cristal de cera sobre
superficies frías a temperaturas inferiores a la de
enturbiamiento se da en tres fases: formación de un núcleo de
Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando
Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano.
Heredia, Francisco1; Vera, Edwin1; Guzmán-Beckmann, Liliana1 1 Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria, Quito, Ecuador
Resumen: La presencia de depósitos de parafinas en las paredes de tuberías de transporte de crudo puede ocasionar
pérdidas de producción de petróleo debido al bloqueo parcial o total que estos pueden causar, la posibilidad de
prevenir la formación de incrustaciones es importante para la industria petrolera. En esta investigación se evaluó
mediante el método del dedo frío la relación del perfil de temperatura de la capa límite térmica (formada entre una
superficie fría y el crudo caliente) con la cantidad obtenida de depósitos, la eficiencia de cuatro modificadores de
cristales (M.C.) y la severidad de los depósitos de parafinas. El equipo dedo frío se construyó en los laboratorios de
la Escuela Politécnica Nacional. Se trabajó con petróleo proporcionado por Tecpetrol, empresa operadora del Bloque
49 de la Amazonía Ecuatoriana, al caracterizar este crudo se determinó que tiene 31,2 ºAPI y una temperatura de
enturbiamiento de 28,7 ºC. Los resultados de la investigación fueron obtenidos al mantener la temperatura de la
muestra de crudo a 60,0 ºC y temperaturas de la pared fría de 20,0 ºC y 12,0 ºC. La reducción de la temperatura de la
superficie fría ocasionó una mayor región a temperatura inferior a la de enturbiamiento que favoreció el aumento de
la cantidad de depósitos. El incremento de la velocidad inicial de deposición debido a la reducción de temperatura
fue de 4,1×10-3 g/cm2×h a 4,9×10-3 g/cm2×h. El M.C.2 a 3.000 ppm en 100 mL de crudo deshidratado alcanzó
eficiencias en la reducción de los depósitos superiores al 90,0 %.
Palabras clave: depósitos de parafinas, inhibidores de parafinas, eficiencia del modificador de cristal, dedo frío.
Paraffin Deposit Decrease Evaluation Using Crystal Modifiers in
Light Crude Oil.
Abstract: Paraffin deposits on the oil transport tubing surface can produce losses due to partial or total blocking of
the pipes. The possibility of preventing the scurf appearance is of interest to oil industry. This research evaluates the
relationship between the thermic boundary layer temperature profile (border between a cold surface and the hot oil)
and the amount of deposits using the cold finger method. As well, it evaluates four crystal modifyers (C.M.) efficiency
and their effects on the paraffin deposits. Cold finger equipment was built at Escuela Politécnica Nacional University.
And, the oil was obtained from Tecpetrol (an oil enterprise) which operates at Bloque 49 in the amazon region of
Ecuador. This oil measured 31,2 °API and a cloud point of 28,7 °C. The experiments with the cold finger were
obtained maintaining the sample oil at 60,0 °C and the cold surface either at 20,0 °C or 12,0 °C. The low temperature
of the cold finger surface generated a region where the temperature was lower than the cloud point which stimulated
the increase of the amount of paraffins deposited. The low temperature increased the initial deposit velocity from
4,1×10-3 g/cm2×h to 4,9×10-3 g/cm2×h. The most efficient method was C.M.2. at 3.000 ppm over 100 mL of oil
reaching a deposit reduction efficiency more than 90,0 %.
Keywords: paraffin deposition, paraffin inhibitors, crystal modifier efficiency, cold finger.
29
Heredia Francisco; Vera Edwin; Guzmán-Beckmann Liliana
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
cristal de parafina; crecimiento del cristal de parafina con
moléculas que precipitan y se agrupan alrededor del núcleo y
deposición sobre tuberías y equipos de producción (Zhang et
al., 2014). La deposición de ceras es dependiente de:
temperatura del crudo, temperatura de la pared de la tubería,
velocidad a la cual circula el petróleo por la tubería, tiempo de
residencia, concentración de ceras y rugosidad del ducto
(Lashkarbolooki, Esmaeilzadeh, y Mowla, 2011). Compañías
petroleras que extraen crudo alejados de la costa y en aguas
profundas, debido a las bajas temperaturas del ambiente
requieren predecir la severidad de los depósitos de ceras
durante la etapa de producción.
Existen diversos métodos convencionales de control de
parafinas: el método mecánico consiste en la remoción de
sólidos con el uso de raspadores, es económicamente accesible
pero puede generar taponamientos al momento de la limpieza
por la acumulación de la cera. El método operacional consiste
en trabajar a un máximo caudal, lo cual permitirá la remoción
de las ceras blandas ubicadas en la superficie de los depósitos
pero no así de las parafinas duras firmemente adheridas a la
superficie de la tubería, con lo que la remoción será más
compleja a futuro. El método térmico consiste en la inyección
de fluidos calientes que generan la fusión de las parafinas
depositadas. El tratamiento químico requiere una inyección
continua de inhibidores de depósitos de parafinas, que impiden
la deposición de ceras. (Candelo y Carvajal, 2010).
De manera general, los inhibidores de parafinas se clasifican
en: solventes, dispersantes y modificadores de cristales.
Los solventes son añadidos para devolver la solubilidad al
petróleo que pudo haber perdido debido al escape de los gases
disueltos o la disminución de la temperatura. Los dispersantes
mantienen separadas las partículas de parafina en el crudo
manteniéndolas en movimiento con el fluido, también actúan
removiendo depósitos (Lashkarbolooki et al., 2011).
Los modificadores de cristales son compuestos poliméricos
constituidos por una o más cadenas de hidrocarburos similares
a una cera, estos presentan una porción polar en su estructura.
Estas moléculas co-precipitan o co-cristalizan con las
parafinas al ocupar su posición en el enlace en lugar de las
ceras, lo que genera un impedimento estérico que interfiere
con el crecimiento de los cristales de cera, lo que permite
reducir su capacidad de formar una red cristalina (Wei B,
2015). Entre los principales polímeros evaluados como
modificadores de cristales desarrollados y patentados por
empresas prestadoras de servicios se tiene el polietileno, co-
polímero de ésteres, co-polimero de etilen vinil acetato
(E.V.A), poliacrilatos entre los más comunes e investigados
(Lashkarbolooki et al., 2011).
El método del dedo frío (Cold Finger) es usado generalmente
como prueba de laboratorio para evaluar la severidad de los
depósitos de parafinas y determinar el desempeño de químicos
modificadores de cristales que inhiben la formación de estos
depósitos sobre la superficie fría (Paso y Fogler, 2004).
Investigaciones desarrolladas por Jennings y Weispfennig
(2005), emplearon el equipo dedo frío para determinar el
efecto de la agitación y la temperatura de la muestra de crudo
sobre la cantidad de depósitos obtenidos en una superficie fría,
la técnica presenta facilidad para ser empleada, es fiable para
la detección del rendimiento de los modificadores de cristales
y requiere de poca muestra para el análisis.
Investigaciones desarrolladas por Bello, Fasesan, Teodoriu y
Reinicke (2006) y Weispfennig (2001) evaluaron diferentes
composiciones de inhibidores de ceras en el control del
depósito de parafinas mediante el equipo dedo frío. Las
variables de respuesta obtenidas para una muestra de petróleo
con y sin inhibidores de cera fueron la variación en la
velocidad de los depósitos sobre una superficie fría y la
eficiencia de las diversas concentraciones y composiciones de
inhibidores en la reducción de los depósitos.
En el presente estudio se evaluó el diseño y construcción del
equipo dedo frío, la influencia de los mecanismos de
transferencia de calor sobre una superficie fría en la cantidad
de depósitos, la eficiencia de cuatro productos modificadores
de cristal añadidos a diversas concentraciones, la reducción de
la cantidad de sólidos adheridos sobre una superficie y la
severidad de los depósitos con base a la velocidad de
deposición sobre superficies frías.
2. METODOLOGÍA
A partir de la caracterización de las propiedades físicas del
crudo, se realizó la evaluación teórica de la transferencia de
calor entre la superficie fría del dispositivo dedo frío y la
muestra de crudo caliente, los resultados permitieron el
dimensionamiento de los componentes del equipo. Los
componentes que conforman el equipo dedo frío se
esquematizan en la Figura 1 que consta básicamente de:
sondas o dispositivo dedo frío, baño termostático, sistema de
refrigeración y sistema de agitación magnética.
Con el equipo en funcionamiento se procedió a evaluar
experimentalmente los mecanismos de transferencia de calor
presentes sobre la superficie, la acción de los modificadores de
cristales a diferentes concentraciones y diferenciales de
temperatura (∆T); entre el baño termostático y el dedo frío y
se determinó experimentalmente la severidad de los depósitos.
El crudo utilizado para el estudio representó el bombeo de la
producción diaria del Bloque 49 (Campo Bermejo), que se
encuentra ubicado a una altitud que varía de 460 a 980 metros
sobre el nivel del mar (m.s.n.m), el campo presenta bajas
temperaturas respecto a otros campos del oriente y extrae
petróleo de alto grado API, ambos factores pueden influir de
manera directa en el depósito de las parafinas presentes en el
petróleo.
2.1 Caracterización de la muestra de crudo
Se tomaron 3 muestras en la estación de bombeo del Bloque
49, según la Norma NTE INEN 930 (1982) Muestreo de
petróleo crudo y sus derivados.
La investigación se desarrolló con un crudo deshidratado cuyo
contenido de agua y sedimentos (B.S.&W)
30
Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano.
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Figura 1. Representación esquemática del equipo dedo frío construido.
fue determinado mediante la Norma ASTM D 4007 (2013).
Se determinó la densidad API y viscosidad cinemática con
base en las normas ASTM D 1298 (1999) y la Norma ASTM
D 445 (1970) respectivamente, estos valores fueron usados
para el cálculo y evaluación de los modelos matemáticos
obtenidos de la transferencia de calor propuestos por Correra
et al. (2006).
Con base en trabajos previamente realizados por Coto, Martos,
Espada, Robustillo, y Peña (2014) se determinó la temperatura
de enturbiamiento mediante calorimetría diferencial de barrido
(D.S.C). Los parámetros de operación del D.S.C fueron:
calentamiento de 20,0 ºC a 80,0 ºC a 3,0 ºC/min, con la
finalidad de disolver los sólidos presentes. Posteriormente la
muestra fue enfriada desde 80,0 ºC a -80,0 ºC a 3,0 ºC/min.
Outlaw y Ye (2011) y Greño (2008) señalan que el
termograma representa el flujo de calor debido a la
precipitación de los cristales de cera observado mediante la
formación de un pico exotérmico durante la fase de
enfriamiento.
Se estableció el punto de escurrimiento según la Norma ASTM
D 97 (2005), parámetro que permitió evaluar la temperatura a
la cual el crudo deja de fluir de manera natural debido a la
solidificación de los depósitos de parafina (Coto et al., 2014).
Se determinó la concentración total de ceras en la muestra
mediante la Norma DIN EN 12606 (2007) y el contenido de
asfaltenos con base a la Norma ASTM D 3279 (2007). Huang
et al. (2015) resaltan la importancia de conocer la composición
del crudo debido a la influencia que representa la
concentración de parafinas y asfaltenos sobre la cantidad de
los depósitos obtenidos y el riesgo potencial que significan en
el transporte del crudo.
2.2 Dimensionamiento del dispositivo dedo frío.
El equipo fue dimensionado para contener un conjunto de
sondas sumergidas de manera simultánea en recipientes de
vidrio de 100 mL que contienen la muestra de crudo. Jennings
y Weispfennig (2005) señalan que el equipo deberá
calentar las muestras de crudo a temperaturas cercanas a las de
producción mediante el baño termostático. El sistema de
refrigeración, que mantiene a la temperatura deseada las
paredes de los dispositivos, se encuentra interconectado a una
bomba de recirculación de caudal regulable que permite el
flujo constante del fluido refrigerante (agua de enfriamiento).
El agitador magnético reduce el tiempo requerido para obtener
los depósitos de cera.
Variación de la temperatura del agua al interior del
dispositivo dedo frío.
Con la finalidad de mantener constante la temperatura de la
superficie de la sonda, se evaluó la variación de la temperatura
del agua de refrigeración que circula al interior del equipo de
dedo frío. Se consideró la convección del fluido que transitó al
interior del dispositivo, la conductividad térmica del dedo frío,
el espesor del material empleado como sonda y la convección
producida por el crudo agitado, variables representadas en la
Figura 2 y usadas en la Ecuación 1, que constituyen el
coeficiente global de transferencia de calor (Yunus y Afshin,
2011); la Ecuación 2 representa la temperatura media del
fluido evaluada a la entrada y salida de la sonda. Del balance
de energía realizado al sistema se obtuvo la Ecuación 4 (Yunus
y Afshin, 2011).
Figura 2. Representación del funcionamiento del dispositivo dedo frío
31
Heredia Francisco; Vera Edwin; Guzmán-Beckmann Liliana
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
𝑈 =1
1
ℎ𝐻2𝑂+
𝑒
𝑘𝑑𝑓+
1
ℎ𝑐𝑟
(1)
𝑇𝐻2𝑂 =
𝑇𝐻2𝑂𝑒+𝑇𝐻2𝑂𝑠
2 (2)
∆𝑇𝐻2𝑂 = 𝑇𝐻2𝑂𝑠 − 𝑇𝐻2𝑂𝑒 (3)
𝑈 ∗ 𝐴𝑐𝑖𝑙 ∗ (𝑇𝑐𝑟 − 𝑇𝐻2𝑂 ) = 𝐻2𝑂 ∗ 𝑐𝑝𝐻2𝑂 ∗ ∆𝑇𝐻2𝑂 (4)
Al reemplazar las Ecuaciones 2 y 3 en la Ecuación 4 se obtiene
la Ecuación 5 que representa el valor de la temperatura de
salida del agua (𝑇𝐻2𝑂𝑠) que circula al interior del dispositivo
dedo frío.
𝑇𝐻2𝑂𝑠 =𝑈∗𝐴𝑐𝑖𝑙∗(𝑇𝑐𝑟−
𝑇𝐻2𝑂𝑒
2)+𝑇𝐻2𝑂𝑒∗𝐻2𝑂∗𝑐𝑝𝐻2𝑂
𝐻2𝑂∗𝑐𝑝𝐻2𝑂+𝑈∗𝐴𝑐𝑖𝑙
2
(5)
Donde:
𝑈: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
ℎ𝐻2𝑂: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑒: 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜
𝑘𝑑𝑓: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜
ℎ𝑐𝑟: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑜
𝑇𝐻2𝑂 : 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑇𝐻2𝑂𝑒: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑇𝐻2𝑂𝑠: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐴𝑐𝑖𝑙: á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 − 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
𝑇𝑐𝑟: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑜.
𝐻2𝑂: 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑐𝑝𝐻2𝑂: 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
∆𝑇𝐻2𝑂: 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
Para determinar el coeficiente global de transferencia de calor,
se determinó previamente el coeficiente de convección del
agua que circula al interior del dedo frío, para lo cual se
consideró al dispositivo como un anillo de tubos concéntricos
formado por la sonda interna por la cual ingresa el fluido y la
superficie interna del dedo frío. El número de Reynolds
expresado en la Ecuación 6 permitió determinar las
condiciones de flujo al interior del dedo frío, se consideró el
flujo de calor a través de la sección anular, por lo que se trabajó
con el diámetro hidráulico y velocidad media representados en
la Ecuación 7 y Ecuación 8 respectivamente (Yunus y Afshin,
2011).
𝑅𝑒𝐻2𝑂 =𝜌𝐻2𝑂∗𝑉𝑚∗𝐷ℎ
𝜇𝐻2𝑂 (6)
𝐷ℎ = 𝐷𝑒 − 𝐷𝑖 (7)
𝑉𝑚 =
𝜌𝐻2𝑂∗𝐴𝑡 (8)
Donde:
𝑅𝑒𝐻2𝑂: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎
𝜌𝐻2𝑂: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑉𝑚: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐷ℎ: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑜
𝜇𝐻2𝑂: 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐷𝑒: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜
𝐷𝑖: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑠𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐴𝑡: á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
Con el número de Reynolds y la relación entre el diámetro
interno y externo del anillo de tubos concéntricos, se estableció
de bibliografía (Yunus y Afshin, 2011) el número de Nusselt
correspondiente. La Ecuación 9 permitió determinar el
coeficiente de convección del agua que circula a través de la
sección anular del dispositivo, a partir del número de Nusselt,
coeficiente de conducción del agua y el diámetro hidráulico.
ℎ𝑒𝐻2𝑂=
𝑁𝑢𝑒∗𝑘𝐻2𝑂
𝐷ℎ (9)
Donde:
ℎ𝑒𝐻2𝑂: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜
𝑁𝑢𝑒: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑁𝑢𝑠𝑠𝑒𝑙𝑡
𝑘𝐻2𝑂 : 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
Para el cálculo del coeficiente de convección del crudo,
trabajos realizados por Correra et al. (2006), determinaron la
Ecuación 10 que representa el coeficiente de convección del
crudo alrededor del dedo frío como función de la velocidad
angular del agitador magnético y los radios del dedo frío y el
recipiente contendor de muestra.
ℎ𝑐𝑟 =𝑘𝑐𝑟
𝑅𝑒𝑑𝑓1−𝑚 ∗ (
𝜌𝑐𝑟∗𝜔∗(𝑅𝑖𝑏−𝑅𝑒𝑑𝑓)
2∗𝜇𝑐𝑟)
𝑚
(10)
𝑚 = 0,628
𝑅𝑖𝑏 = 2,40 𝑐𝑚
Donde:
𝑘𝑐𝑟: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑜. 𝜌𝑐𝑟: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑜
𝜔: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑅𝑖𝑏: 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑡𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑒𝑟𝑑𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎. 𝑅𝑒𝑑𝑓
: 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜.
𝜇𝑐𝑟: 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑜. 𝑚: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛.
Para evaluar la transferencia de calor por conducción presente
en el dispositivo dedo frío, se consideró el espesor y el
coeficiente de conducción del material empleado, los valores
fueron usados en el cálculo del coeficiente global de
transferencia de calor representado en la Ecuación 1.
La Ecuación 11 representa el balance de energía realizado al
volumen de agua del baño termostático que contiene las
muestras de crudo. El cálculo de la potencia requerida por el
sistema de calentamiento fue realizado al emplear la Ecuación
12.
∆𝐻 = 𝑚𝐻2𝑂 ∗ 𝑐𝑝𝐻2𝑂 ∗ ∆𝑇𝑏𝑡 (11)
𝑁 =∆𝐻
𝑡 (12)
Donde:
32
Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano.
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
∆𝐻: 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑏𝑎ñ𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜. ∆𝑇𝑏𝑡: 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑏𝑎ñ𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑚𝐻2𝑂: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑏𝑎ñ𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑁: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑡: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑙𝑐𝑎𝑛𝑧𝑎𝑟 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
El material seleccionado para la construcción del dispositivo
dedo frío fue el AISI 304, debido a su alto coeficiente de
conducción térmica (𝑘𝑑𝑓) de 14,7 W/m*K que favorece la
transferencia de calor. El espesor del dispositivo es el mínimo
encontrado a nivel comercial que permite mantener el área de
transferencia de calor casi constante. Las dimensiones de la
sonda se fijaron con base al recipiente de vidrio, para mantener
el contacto con la muestra de crudo y permitir la agitación
magnética. Las medidas empleadas son: espesor (𝑒) 1,00 mm,
diámetro externo (2 ∗ 𝑅𝑒𝑑𝑓) 1,45 cm y longitud promedio de
contacto con el crudo 5,20 cm. El flujo másico (𝐻2𝑂)
entregado a cada sonda sumergida en las muestras es de 4
kg/min. El fluido es suministrado por una bomba de ¼ de H.P
a cada uno de los dedos fríos. Los agitadores magnéticos
operan a una velocidad angular (𝜔) de 500 rpm.
Para determinar la temperatura de salida (𝑇𝐻2𝑂𝑠) del fluido que
circula al interior del dedo frío de material AISI 304, se empleó
la Ecuación 5. Los resultados reflejaron que para las
condiciones en las cuales la temperatura de entrada es de 20ºC
y 12ºC y la temperatura del crudo de 60 ºC, el incremento de
temperatura entre la entrada y la salida del agua es menor a una
décima de grado centígrado. Este resultado muestra que el
equipo diseñado permite mantener la temperatura de la
superficie fría y trabajar simultáneamente con cuatro sondas o
más.
Para determinar la potencia de calentamiento del equipo se
calculó la cantidad de energía requerida para incrementar la
temperatura (∆𝑇𝑏𝑡) desde 20,0 hasta 80,0 ºC a una masa de
agua (𝑚𝐻2𝑂) de 10 kg, contenidos por el baño termostático
para mantener las muestras sumergidas. La energía (∆𝐻 ) fue
de 2.512,2 kJ, valor calculado mediante la Ecuación 11. El
tiempo (𝑡) requerido para alcanzar la temperatura deseada se
fijó en 30 min debido a que el tiempo mínimo de un ensayo
para evaluar los modificadores de cristal es de 10 h. Por lo
tanto la potencia (𝑁) requerida por la resistencia para alcanzar
el calentamiento en un periodo de 30 min fue de 1.395 W,
valor calculado mediante la Ecuación 12.
2.3 Transferencia de calor sobre la superficie externa del
dedo frío
La existencia de una capa límite térmica descrita por Correra
et al. (2006) y representada en la Figura 3, se debe al
diferencial de temperatura entre el flujo libre del crudo y la
superficie del dispositivo dedo frío.
Espesor de la capa límite
Los mecanismos de transferencia de calor presentes entre la
capa límite y la muestra de crudo agitado son por conducción
y convección respectivamente. Ambos flujos de calor son
iguales debido a que se trabaja en estado estacionario. Con
base en el desarrollo del balance de energía se obtuvo la
Ecuación 13, que permitió determinar el radio de la capa límite
que se representa en la Ecuación 14. El espesor de la capa
límite corresponde a la diferencia entre el radio de la capa
límite y el radio externo del dedo frío mostrados en la Figura
3 y representado matemáticamente en la Ecuación 15.
Figura 3. Representación del perfil de temperatura en la capa límite térmica
ℎ𝑐𝑟 ∗ 𝐴𝑐𝑖𝑙 ∗ (𝑇𝑐𝑟 − 𝑇𝑃𝑀𝑒) =
𝑇𝑐𝑟−𝑇𝑃𝑀𝑒
𝑙𝑛(𝑅𝑐𝑙
𝑅𝑒𝑑𝑓)
𝐴𝑐𝑖𝑙∗𝑘𝑐𝑟
(13)
𝑅𝑐𝑙 = 𝑅𝑒𝑑𝑓 ∗ 𝑒(
𝑘𝑐𝑟ℎ𝑐𝑟∗𝑅𝑒𝑑𝑓
) (14)
𝑒𝑐𝑙 = 𝑅𝑐𝑙 − 𝑅𝑒𝑑𝑓 (15)
Donde:
𝑇𝑃𝑀𝑒 : 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑚𝑒𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎. 𝑅𝑐𝑙: 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒. 𝑒𝑐𝑙: 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒
Perfil de temperatura de la capa límite
La Ecuación 16 representa el perfil de temperatura a través de
la capa límite de geometría cilíndrica formada por el dedo frío.
Se asumió que la temperatura de la pared metálica externa del
dedo frío es igual a la temperatura de entrada del fluido
refrigerante Correra et al. (2006).
𝑇(𝑟𝑐𝑙) = 𝑇𝑃𝑀𝑒 +𝑇𝑐𝑟−𝑇𝑃𝑀𝑒
𝑙𝑛(𝑅𝑐𝑙
𝑅𝑒𝑑𝑓)
∗ 𝑙𝑛 (𝑟𝑐𝑙
𝑅𝑒𝑑𝑓) (16)
Donde:
𝑇𝑟𝑐𝑙 : 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎 𝑙𝑜 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒. 𝑟𝑐𝑙 : 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑎 𝑙𝑜 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒.
2.4 Evaluación de los modificadores de cristales con
respecto a los depósitos hallados en el dedo frío.
El diseño experimental seleccionado para la evaluación fue
factorial mixto aleatorio con una repetición. Las tres variables
de diseño fueron cuatro productos modificadores de cristales
comerciales identificados como: M.C.1, M.C.2, M.C.3 y
M.C.4, cuatro concentraciones diferentes de cada producto y
dos diferenciales de temperatura entre la pared fría de la sonda
33
Heredia Francisco; Vera Edwin; Guzmán-Beckmann Liliana
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
y la muestra de crudo, se mantiene constante la temperatura de
la muestra de petróleo.
Antes de cada ensayo la muestra fue previamente agitada y
calentada en el baño termostático durante un periodo de 2 h a
40,0 ºC sobre la temperatura de enturbiamiento determinada
en la caracterización. Pedersen y Rønningsen (2000) señalan
que el precalentamiento permite borrar el historial térmico por
el cual ha pasado el petróleo y fundir todos los cristales
presentes. Se trabajó con una agitación rotacional de 500 rpm
según lo recomendado por Weispfennig (2001).
Posteriormente, se realizó la adición del modificador de
cristales al crudo y se mantuvo durante 30 minutos adicionales
en agitación y calentamiento. Luego, se sumergieron los
dispositivos dedo frío en la muestra y se inició la circulación
del agua de enfriamiento.
Los cuatro tipos de modificadores de cristales se dosificaron
en 100 mL de crudo a concentraciones de 500 ppm, 1.000 ppm,
1.500 ppm y 3.000 ppm (Coto et al., 2014).
En el presente ensayo, se mantuvo durante 8 horas las sondas
sumergidas. Resultados reportados por Weispfennig (2001)
indican que en este periodo se obtiene suficiente cantidad de
depósitos. A continuación, según lo recomendado por
Lashkarbolooki et al. (2011), se retiraron los dispositivos del
equipo y se lavaron con metil etil cetona.
La variable de respuesta para evaluar los productos
modificadores de cristal fue el peso de los depósitos presentes
en el área de contacto. Estos consisten de parafinas adheridas
a la superficie metálica y el crudo contenido al interior de su
lecho poroso (Weispfennig, 2001). En estudios desarrollados
por Bello et al. (2006), se obtiene la eficiencia de los
tratamientos químicos mediante la Ecuación 17.
𝐸. 𝑀. 𝐶. =𝑃𝐵−𝑃𝑄
𝑃𝐵∗ 100 (17)
Donde:
𝐸. 𝑀. 𝐶: 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑜𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠. 𝑃𝐵: 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜𝑠 sin 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑀. 𝐶. 𝑃𝑄: 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑀. 𝐶.
2.5 Determinación de la cinética de los depósitos entre la
superficie fría y la muestra de crudo
La velocidad de los depósitos representa la cantidad de sólidos
adheridos sobre un área de contacto en un periodo de tiempo.
(Weispfennig, 2001).
Se determinó experimentalmente para la muestra la velocidad
de los depósitos de los blancos (muestra sin modificadores de
cristales) y del mejor tratamiento para cada diferencial de
temperatura. Se sumergió, simultáneamente, las sondas en los
recipientes contenedores de muestra durante periodos de 2, 4,
6 y 8 h. Posterior a cada periodo, se retiraron los dispositivos
y se lavaron con metil etil cetona.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de la investigación ampliaron el conocimiento
de las características del petróleo, los componentes del equipo
dedo frío, la influencia de la transferencia de calor sobre una
superficie fría en la formación de los depósitos, la eficiencia
de los modificadores de cristal para inhibir la deposición y la
velocidad con que se adhieren los cristales.
3.1 Caracterización de la muestra de crudo
La muestra de petróleo deshidratado presentó una gravedad
API de 31,2 º ± 0,1 a 15,5 ºC, considerándose un petróleo
liviano, el contenido de agua y sedimentos fue de 0,6 %, la
viscosidad cinemática fue de 15,69 ± 7,2×10-3 cSt a 40,0 ºC,
resultado que guarda relación con su grado API, e influye en
el coeficiente de convección del fluido de acuerdo a lo
planteado por Correra et al. (2006). Se obtuvo un valor de 28,7
ºC para la temperatura de enturbiamiento y –18,0 ºC para la de
escurrimiento. El contenido de parafinas fue de 2,25 % y el
contenido de asfaltenos fue de 2,56%, determinado con n-
Pentano. Publicaciones presentadas por Huang et al. (2015)
señalan que crudos con más del 2,00 % de contenido de
parafinas y temperatura de enturbiamiento superior a 4,0 ºC
podrían presentar riesgo de deposición de ceras.
Los resultados de esta caracterización para el crudo del campo
Bermejo, indican que los problemas de depósitos son: la
precipitación de ceras en tuberías y la formación de depósitos
en el tanque de lavado de una interfase de sólidos (cristales de
cera) entre el crudo y agua, podrían estar asociados a la
cristalización de las parafinas. Estos comportamientos se
producen a temperaturas inferiores a la temperatura de
enturbiamiento de 28,7 ºC obtenida por D.S.C.
3.2 Evaluación de la transferencia de calor sobre la superficie
externa del dedo frío
Para el análisis matemático de los mecanismos de
transferencia de calor se trabajó a la temperatura del crudo,
60,0 ºC y temperatura del agua de refrigeración que circula por
el dedo frío a 20,0 y 12,0 ºC. Se emplearon estos valores ya
que Correra, Fusi, Primicerio, y Rosso (2007) y Weispfennig
(2001) señalan que se requiere trabajar a temperaturas
inferiores a la de enturbiamiento obtenida por D.S.C.
Figura 4. Espesor de la capa límite térmica en función de la agitación.
34
Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano.
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
La Figura 4 obtenida a partir de las Ecuaciones 10, 14 y 15 a
diversas velocidades angulares, muestra que conforme
aumenta la agitación, existe una reducción del espesor de la
capa límite. Lo que incrementa la transferencia de calor entre
la muestra y la superficie metálica. El espesor de la capa límite
(𝑒𝑐𝑙) obtenido a 500 rpm fue de 0,25 mm.
Jennings y Weispfennig (2005) demuestran que al trabajar con
una agitación de 500 rpm se favorece la obtención de la mayor
cantidad de depósitos, debido al menor desprendimiento del
crudo contenido en el lecho poroso de los depósitos de
parafina.
La Figura 5 representa el perfil de temperatura en la capa límite
obtenido a partir de la Ecuación 16, para las condiciones
experimentales ∆T=40,0 ºC y ∆T=48,0 ºC. La reducción en la
temperatura de pared fría en 8,0 ºC generó un incremento de
casi el doble del espesor de la región a temperaturas inferiores
a la de enturbiamiento, lo que puede ocasionar una mayor
cantidad de depósitos sobre superficies frías.
Figura 5. Perfil de temperatura dentro de la capa límite a 500 rpm.
3.3 Evaluación de los modificadores de cristales con respecto
a los depósitos hallados en el dedo frío
La cantidad de depósitos hallados en la superficie metálica
permitió valorar la eficiencia de los cuatro modificadores de
cristales a concentraciones de: 500, 1.000, 1.500 y 3.000 ppm.
Para el desarrollo experimental las temperaturas del agua de
enfriamiento dentro de la sonda metálica fueron de 12,0 y 20,0
ºC; se mantuvo constante la temperatura del crudo a 60,0 ºC.
Bajo estas condiciones se obtuvieron los siguientes resultados.
Los depósitos obtenidos de las muestras sin adición de
modificadores de cristales y para los tratamientos químicos
con los productos M.C1, M.C.3 y M.C.4 fueron visualmente
similares a un gel, a diferencia de los encontrados con el
tratamiento químico del M.C.2 que presentaron firmeza y
uniformidad.
Las características físicas de los depósitos obtenidos con la
adición del M.C.2 a la muestra de crudo mostrados en la Figura
6, revelaron que a un ∆T=40,0 ºC existió menor cantidad de
depósitos y una capa de sólidos adheridos menos gruesa que
los hallados a ∆T=48,0 ºC. Hoffmann y Amundsen (2013)
reportan observaciones similares en su equipo de flujo
continuo cuyo principio de funcionamiento es similar al dedo
frío.
Figura 6. Depósitos de cera del crudo tratado con el M.C.2 a ∆T=40,0 ºC
(superior) y ∆T=48,0 ºC (inferior) luego de 8 h de ensayo a 500 rpm.
La Figura 7 indica los resultados de los ensayos realizados a
∆T=40,0 ºC. Sin adición de modificadores de cristales
(concentración 0 ppm) se obtuvo una masa promedio de los
depósitos de 1,55×10-2 ± 0,017 g/cm2. Los productos M.C.1,
M.C.3 y M.C.4 a concentración de 3.000 ppm lograron
eficiencias en la reducción de los depósitos de alrededor de un
48,0; 25,0; y 40,6 % respectivamente. El M.C.2 disminuyó los
depósitos en 90,6 %; fue el único que inhibió prácticamente en
su totalidad la deposición.
Figura 7. Promedio de la masa de los depósitos vs concentración a
∆T=40,0ºC luego de 8 h de ensayo a 500 rpm.
La Figura 8 muestra los resultados de los ensayos realizados a
∆T=48,0 ºC. Se evidenció un aumento en la masa promedio de
los depósitos de la muestra sin adición de inhibidor a
1,92×10-2 ± 0,017 g/cm2, un incremento similar se obtuvo para
0 ppm 500ppm 1000 ppm 1500 ppm 3000 ppm
0 ppm 500ppm 1000 ppm 1500 ppm 3000 ppm
35
Heredia Francisco; Vera Edwin; Guzmán-Beckmann Liliana
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
todos los tratamientos. Estudios realizados por Jennings y
Weispfennig (2005) reportan un comportamiento análogo.
Los productos M.C.1, M.C.3 y M.C.4 a concentraciones de
3.000 ppm redujeron los depósitos en 16,0%; 15,5% y 5,6 %
respectivamente, eficiencia inferior a la obtenida para
∆T=40,0 ºC. El M.C.2 disminuyó los depósitos en un 93,5 %
a 3.000 ppm y fue el único que inhibió prácticamente en su
totalidad la deposición.
Figura 8. Promedio de la masa de los depósitos vs concentración a
∆T=48,0ºC luego de 8 h de ensayo a 500 rpm.
Los incrementos de las cantidades depositadas obtenidas
experimentalmente debido a la disminución de la temperatura
de superficie mostrados en la Figura 9 (superior), concuerdan
con los resultados matemáticos de las Ecuaciones 14, 15 y 16
planteadas y representadas en la Figura 5 donde existió un
aumento de la región fría que facilitó la cristalización de las
ceras. La Figura 9 (superior) muestra una diferencia
estadísticamente significativa (P < 0,05) entre la cantidad de
depósitos obtenidos a ∆T=40,0 ºC de 0,010 ± 2,38×10-3 g/cm2
con respecto a 0,016 ± 2,38×10-3 g/cm2 para ∆T=48,0 ºC.
Los resultados obtenidos matemáticamente y
experimentalmente muestran que la reducción de la
temperatura de la superficie en contacto con el crudo influye
significativamente en la cantidad de sólidos que se adhieren al
interior de la tubería. Dubey, Chi, y Daraboina (2017) obtienen
aumentos en depósitos de parafinas cuatro veces mayores al
elevar la temperatura en tan solo 6ºC. Los investigadores
demuestran la sensibilidad de las parafinas en contacto con
superficies que experimenten ligeras variaciones de
temperatura.
El desempeño del M.C.2 para evitar las etapas de nucleación,
crecimiento y deposición de parafinas descritas por
Lashkarbolooki et al. (2011), se evidenció en los resultados
reportados en la Figura 9 (inferior), que muestran que el M.C.2
presenta un comportamiento estadísticamente diferente (P <
0,05) respecto a los productos M.C.1, M.C.3 y M.C.4,
mediante la reducción de la cantidad de depósitos obtenidos a
diversas condiciones. El comportamiento descrito por Al-
Yaari (2011) sobre la acción del químico enlazándose con la
cadena parafínica e interfiriendo en la aglomeración y
deposición sobre la superficie metálica es similar al obtenido
experimentalmente y es visible en las Figuras 6 y 9 (inferior).
Figura 9. Masa de los depósitos (g/cm2) vs diferencial de temperatura (ºC), luego de 8 h de ensayo a 500 rpm (superior). Masa de los depósitos (g/cm2)
con diversos modificadores de cristales, luego de 8 h de ensayo a 500 rpm
(inferior)
Los valores reportados son tan solo una referencia de la acción
del modificador de cristales en las parafinas presentes en el
petróleo, factores como: presencia del gas disuelto en crudo,
elevadas velocidades de flujo a través de la tubería, altas
temperaturas del crudo y tiempos de residencia, son variables
que influirán en la eficiencia de los modificadores de cristales
inyectados en la etapa de producción (Lashkarbolooki et al.,
2011), y merecen especial atención para estudios posteriores.
3.4 Determinación de la cinética de los depósitos entre la
superficie fría y la muestra de crudo.
En la Figura 10 se puede observar la velocidad de los depósitos
a diversos diferenciales de temperatura para las muestras sin
modificadores de cristales y para el mejor tratamiento (M.C.2).
Weispfennig (2001) señala que el valor de la pendiente de la
recta tangente a las curvas de velocidad representa la velocidad
inicial de deposición.
Figura 10. Masa de los depósitos vs tiempo a 500 rpm.
40 48
Means and 95.0 Percent LSD Intervals
Dif Temperatura
10
12
14
16
18(X 0.001)
Masa d
epositos
M.C.1 M.C.2 M.C.3 M.C.4
Means and 95.0 Percent LSD Intervals
Modificador de cristales
87
107
127
147
167(X 0.0001)
Masa d
epositos
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Evaluación de la Disminución del Depósito de Parafinas Empleando Modificadores de Cristales en Petróleo Liviano.
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Para las muestras sin adición de M.C. se reportó para ∆T=48,0
ºC una velocidad de 4,9×10-3 g/cm2×h, valor superior al
obtenido a ∆T=40,0 ºC que fue 4,1×10-3 g/cm2×h, exponiendo
un incremento en la velocidad de los depósitos a mayor
diferencial de temperatura durante un periodo de 2 horas.
Investigaciones realizadas por Weispfennig (2001) reportaron
comportamientos similares.
Los resultados obtenidos de la velocidad de los depósitos con
la adición del M.C.2 a concentración de 3.000 ppm (mejor
tratamiento químico) mostraron que la eficiencia en la
reducción de los depósitos superó el 90,0 % para ambos
diferenciales de temperatura luego de 8 horas de ensayo.
4. CONCLUSIONES
El equipo dedo frío diseñado puede trabajar en simultáneo con
más de cuatro muestras, debido a que el aumento de la
temperatura del agua que circula al interior de la sonda es
despreciable, lo que permite mantener constante la
temperatura de la pared fría y así evaluar de manera confiable
y a diversas condiciones los productos inhibidores de
depósitos.
Los espesores de la zona a temperatura inferior a la de
enturbiamiento fueron de 0,05 mm y 0,09 mm a ∆T=40,0 ºC y
∆T=48,0 ºC respectivamente.
El incremento de la cantidad de depósitos de la muestra sin
químico de 1,55×10-2 ± 0,017 g/cm2 a 1,92×10-2 ± 0,017
g/cm2 a las condiciones ∆T=40,0 y ∆T=48,0 ºC, reflejó la
influencia del radio de la región fría determinado teóricamente
en la formación de los depósitos.
La severidad de los depósitos debido a la reducción de la
temperatura de pared se evidenció con base en el incremento
de la velocidad inicial deposición de 4,10×10-3 a 4,90×10-3
g/cm2×h.
Los depósitos obtenidos con el M.C.2 presentaron mayor
firmeza, adherencia a la superficie metálica y menor contenido
de crudo a diferencia de los hallados en otros tratamientos y
blancos que son similares a un gel.
El M.C.2 añadido a concentración de 3.000 ppm disminuyó en
un 90,6% y 93,5% los depósitos a las condiciones ∆T=40,0 ºC
y ∆T=48,0 ºC respectivamente.
AGRADECIMIENTO
Reconocemos a la empresa Tecpetrol y particularmente al Ing.
Alexis Villacis su aporte en la investigación.
REFERENCIAS
Al-Yaari, M. (2011). Paraffin wax deposition: Mitigation and removal
techniques. In SPE Saudi Arabia section Young Professionals Technical
Symposium. Society of Petroleum Engineers.
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crude petroleum and liquid petroleum products by Hydrometer method.
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(Enero, 2016)
Francisco Agustín Heredia Moreno Estudió la carrera de Ingeniería
Química en la Escuela Politécnica
Nacional, su tesis la desarrolló en el
área de petróleos. Acreedor de la beca
CONACYT-México para estudiar la
Maestría en Ciencias de Corrosión en
la Universidad Veracruzana. Su área
de investigación en sus estudios de
Posgrado es el análisis de inhibidores
de corrosión aplicados en aguas de
formación de la industria petrolera, mediante el uso de técnicas
electroquímicas bajo condiciones de flujo turbulento. Ha
desarrollado investigaciones y dado conferencias sobre
inhibidores de corrosión verdes en México.
Edwin Rafael Vera Calle
Ingeniero Químico de la Escuela
Politécnica Nacional (EPN, Quito),
Máster en Ciencias de la ENSIA-
SIARC (Francia) y Ph.D. en procesos
industriales (UM2-Francia). Profesor
de la EPN por más de 15 años, ha
trabajado también como investigador
en el CNRS de Francia. Ha dirigido 8
proyectos de investigación y
participado como investigador en 5
proyectos con financiamiento nacional e internacional. Tiene
16 publicaciones en revistas indexadas, 15 publicaciones en
otras revistas, ha participado en más de 38 congresos
nacionales e internacionales (scopus h-index 8). Tiene más de
treinta proyectos de titulación dirigidos.
Liliana Guzmán Beckmann
Ingeniera Química de la Escuela
Politécnica Nacional (EPN), Quito,
Ecuador. Master en Diseño de
Procesos, Universidad Central del
Ecuador (UCE). Ingeniera de campo
de registros eléctricos en pozos en
perforación y en producción de
petróleo, Baker Hughes. Gerente de
Logística y Procesos para trazar el
combustible ecuatoriano para
prevenir y controlar el contrabando y desvío de derivados del
petróleo, Decipher C.A. Actualmente, profesora del
Departamento de Ingeniería Química de la EPN, investiga
temas relacionados con petróleo, combustibles y
biocombustibles.
.
38
Estudio de la Huella de Carbono en Unidades Desconcentradas de Terminales Terrestres
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
[email protected] Recibido: 07/02/2017
Aceptado: 07/03/2018
Publicado: 30/04/2018
11. INTRODUCCIÓN
El cambio climático es un problema mundial, que requiere la
cooperación internacional en paralelo con políticas locales,
nacionales y regionales sobre numerosas cuestiones. La
contaminación del aire es un grave problema de salud
medioambiental que afecta directamente a la humanidad.
En la actualidad la exposición a los contaminantes del aire está
fuera del control de las personas y exige la acción de las
autoridades públicas a nivel nacional, regional e incluso
internacional. La Organización Mundial de la Salud, menciona
que es posible atribuir la muerte prematura de más de dos
millones de personas anualmente debido a los efectos de la
contaminación del aire en las ciudades, causada por la
combustión (OMS 2006).
El incremento del tráfico vehicular y restringida mejora de la
eficiencia del combustible, ha provocado que el transporte
terrestre sea una de las mayores fuentes de emisión de gases
de efecto invernadero y cuyo crecimiento es acelerado (Barrett
& Scott, 2015).
La utilización de tecnología para cuantificar gases de
combustión, permite tener datos en tiempo real, este es el caso
del equipo Bacharach (ECA 450). Este equipo es un analizador
de gases de combustión y de las emisiones ambientales de
grado industrial. Está controlado por medio de
microprocesadores, que facilitan la operación y configuración
del mismo, de esta manera este equipo es de fácil manipulación
adaptándose a las necesidades del operador. También, posee
un sistema de selecciones de menú lo que permite una guía
procedimental adecuada para su operación y configuración,
señalando la acción. La muestra de gas que es aspirada dentro
del analizador por medio de la sonda es enviada a un conjunto
de sensores electroquímicos de gases (Bacharach, 2014).
En Ecuador, los Gobiernos Autónomos Descentralizados
(GADs) representan los niveles de gestión regional,
provincial, cantonal y parroquial. Los GADs tienen
competencias, deberes y niveles de participación delimitadas
que cumplir para organizar su gestión, algunas son
determinadas en gran medida en el Código Orgánico de
Estudio de la Huella de Carbono en Unidades Desconcentradas de
Terminales Terrestres
Córdova-Suárez, Manolo1; Carrasco, María1; Padilla Paola1; Garcés-Sánchez, Estefania1
1Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ciencia e Ingeniería en Alimentos, Ambato, Ecuador
Resumen: La estimación de la huella de carbono de los terminales terrestres de la ciudad de Ambato (UDTA) refleja
la realidad de un problema que afecta a la sociedad mundial. El factor de emisión de CO2 obtenido fue de 78131,532
kg CO2/TJ. Este valor fue comparado con el Factor de Emisión reportado en la IPCC que es de 74100 kg CO2 /TJ,
diferencia que se atribuyó a que el Factor de Emisión está influenciado por la tecnología y operación de los autobuses
y distintas características del combustible. La huella de carbono fue de 71, 69 t CO2 -e, 133,44 t CO2 -e y 92159,74 t
CO2 -e, para los alcances 1, 2 y 3 respectivamente; como se estimó inicialmente la mayor aportación a la huella de
carbono estuvo dada por la flota vehicular que se consideró en el alcance 3.
Palabras clave: factor de emisión, NOx, CO2.
Study of the Carbon Footprint in Unknown Units of Terrestrial
Terminals
Abstract: The estimate of the carbon footprint of the terrestrial terminals of the city of Ambato (UDTA) reflects the
reality of a problem that affects the world society. The measured factor is compared to the IPCC emission factor,
which is 74100 kg CO2 / TJ, with the difference between emission factor technology and bus and fuel operation. The
carbon footprint was 71,69 tCO2-e, 133,44 tCO2-e and 92159,74 tCO2-e, at scopes 1, 2 and 3; The largest contribution
to the carbon footprint was given by the fleet of vehicles considered in scope 3.
Keywords: emission factor, NOx, CO2.
39
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Organización Territorial, Autonomía y Descentralización
(Asamblea Nacional, 2010b).
Según el Ministerio de Ambiente del Ecuador (MAE), entre el
año 1990 y 2006, Ecuador ha experimentado un incremento
del 78,70% en las emisiones de CO2 generadas por el
transporte, lo que indica que la contaminación atmosférica en
el país es principalmente generada por la flota vehicular
(MAE, 2012).
Un estudio previo ha concluido que en Quito, la Huella de
Carbono resultante de los sectores clave dentro de la ciudad
tales como transporte, industrial, residencial y residuos sólidos
es de 5.164.945 t CO2 -e. en total (SASA, 2014).
La unidad desconcentrada de terminales de Ambato (UDTA)
impulsa la planificación, organización y control de las
operaciones del origen y destino de las operadoras de
transporte. La terminal Ingahurco registra 30 operadoras con
43 destinos (Quito, Guayaquil, Latacunga y otros lugares del
territorio nacional). En el área de transferencia América
existen 10 operadoras y 20 destinos donde se movilizan
pasajeros y mercancías a los cantones de Tungurahua,
mientras que en el área de transferencia Cashapamba existen 6
operadoras con 10 destinos que viajan a Píllaro y las demás
parroquias rurales de Ambato (El Heraldo, 2016).
Esto evidencia la necesidad de determinar la huella de carbono
en la unidad desconcentrada de terminales de Ambato bajo las
consideraciones de la norma ISO 14064.
2. METODOLOGÍA
2.1 Identificación de fuentes de emisión de gases de efecto
invernadero
Basándose en la Norma ISO 14064 (2016) se categorizaron las
fuentes de emisión de gases de efecto invernadero (GEI), las
mismas que se dividieron en:
2.1.1 Emisiones Directas de GEI
En esta categoría se consideraron a las emisiones generadas
por los automóviles pertenecientes a la UDTA, áreas de
transferencia Ingahurco, América y Cashapamba.
2.1.2 Emisiones Indirectas de GEI por Energía
Dentro de estas emisiones se consideraron todo tipo de
consumo de energía eléctrica en los dos edificios que forman
parte de la UDTA.
2.1.3 Otras Emisiones Indirectas de GEI
Entre las otras emisiones indirectas de GEI se consideraron a
los autobuses de la UDTA, áreas de Transferencia Ingahurco,
América y Cashapamba, debido a que, estos no pertenecieron
a la organización en estudio, sino que prestaron un servicio a
la misma.
2.2 Metodología de cuantificación
Para la cuantificación de GEI para la UDT, áreas de
transferencia Ingahurco, América y Cashapamba, se aplicó la
metodología de Combinación y Medición de Cálculo
mencionada en la normativa ISO 14064-1 (2006).
2.3 Selección de los factores de emisión de GEI.
Se clasificaron los autobuses y automóviles de acuerdo a la
tecnología del escape: Euro I, II, III. La muestra representativa
de autobuses se estableció por muestreo estratificado con
fijación proporcional y se tomó como límite máximo de
muestra 50 autobuses (Tabla 1), para lo cual se consideró
varios factores como el tiempo de vida útil de la celda
electroquímica, disponible en el equipo Bacharach ECA 450 y
el tiempo disponible para la toma de muestras, respetando la
logística de la UDTA.
Tabla 1. Número de muestras tomadas en función del tipo de escape de los
autobuses muestreados
Tecnología de escape N° de autobuses
Euro I 2
Euro II 28
Euro III 20
Total 50
Los factores de emisión correspondientes a emisiones directas
y otras emisiones indirectas de GEI se obtuvieron mediante la
medición directa en los tubos de escape del automóvil y de los
autobuses, utilizando el equipo analizador de gases de
combustión Bacharach ECA 450 para la medición de
concentración de CO, NOx y, SO2.
2.3.1 Selección y Recopilación de los datos de actividad de
GEI
Los datos de actividad de GEI se obtuvieron mediante
recopilación del volumen de combustible consumido por día
de los autobuses que prestan su servicio a la UDTA (muestra
representativa), áreas de Transferencia Ingahurco, América y
Cashapamba. Para la obtención del dato de actividad
expresado en energía generada (TJ), se utilizó información de
poder calorífico del combustible, así como su densidad. (ISO
14064-1, 2006).
2.3.2 Cálculo de emisiones de GEI
Los factores de emisión correspondientes a las emisiones
indirectas de GEI por energía, se obtuvieron utilizando
información del factor de emisión de los tipos de combustibles,
utilizados en la generación de consumo eléctrico del país
(MAE, 2013).
Para el cálculo de emisiones indirectas de energía se obtuvo
información del consumo de energía eléctrica (MWh)
proporcionado por la administración de la UDTA, y se
transformó a emisiones de CO2 (t CO2 -e), para lo cual se
multiplicó por los factores de emisión presentados en la Tabla
2.
40
Estudio de la Huella de Carbono en Unidades Desconcentradas de Terminales Terrestres
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Tabla 2. Factor de emisión por consumo de Energía Eléctrica
Año Factor de Emisión
t CO2/MWh
2013 0.5062
Nota. Adaptado de: ¨Factor de Emisión de CO2 del Sistema Nacional Interconectada de Ecuador, por MAE, 2013. p.22
Mediante cálculos estequiométricos se transformó las
concentraciones de NO y CO (mg/m3) dados por el equipo
Bacharach ECA 450 a kg de N2O y kg de CO2, para lo cual se
utilizó la siguiente reacción química tomada de Lipman y
Delucchi, (2002).
2𝑁𝑂 + 𝐶𝑂 → 𝑁2𝑂 + 𝐶𝑂2 Rx.1
Utilizando el siguiente modelo matemático (ecuación 1) se
determinó la emisión de GEI (Davies et al. 2006)
𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 = Σ[DAa ∗ EFa] (1)
Donde:
Emisión= Emisiones de GEI (kg)
DAa= combustible vendido (TJ)
EFa= factor de emisión (kg/TJ).
a= tipo de combustible
2.3.3 Cálculo de la Huella de Carbono
Las emisiones de GEI se transformaron de kilogramos de CO2
a toneladas. Para la conversión a t CO2 -e se utilizó la siguiente
ecuación:
𝐻𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 = 𝑡 ∗ t CO2 − e (2)
Donde:
t: emisión en ppm.
t CO2-e: Potencial de Calentamiento Global a 100 años.
Una vez que se obtuvo el cálculo unitario de las emisiones de
cada fuente en t CO2-e, se sumaron todas las emisiones de la
misma categoría (emisiones directas, emisiones indirectas por
energía y otras emisiones indirectas) con la finalidad de
obtener el total de emisiones de GEI.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Fuentes de emisión de gases de efecto invernadero.
En la Unidad Desconcentrada de Terminales Ambato se
categorizaron las fuentes de emisión de GEI, a fin de separar
las emisiones producidas en la organización.
Se consideró como Alcance 1, únicamente la camioneta D-
MAX que es propiedad del organismo para movilización de
empleados.
En el Alcance 2 se consideró la energía eléctrica consumida en
el área de transferencia Ingahurco, ya que cuenta con el
edificio central y administrativo. Esta emisión fue
representativa en la determinación de Huella de Carbono,
debido a que, la electricidad representa una de las mayores
fuentes de emisión de GEI a nivel mundial.
El Alcance 3 se atribuyó a la flota vehicular de las cooperativas
que prestan su servicio, siendo en total 1504 autobuses. Este
alcance se consideró como fuente de emisión relevante debido
a los GEI emitidos por el tubo de escape de los autobuses.
3.2 Evaluación del Factor de Emisión.
El valor promedio de factor de emisión de diésel para CO2,
correspondiente al Alcance 3, fue de 78131,532 kg CO2/TJ,
mientras que en la IPCC se indica que el factor de emisión es
de 74100 kg CO2/TJ (Aguilar et al. 2007).
Esta diferencia se debió a que el uso del autobús y condiciones
reales de operación, implicaron diferencias significativas en
las emisiones medidas. Además, se consideró que ese dato fue
generado bajo condiciones de temperatura, localidad,
tecnología avanzada de autobuses y mejor calidad de diésel
que la que se dispone en el país, es por esto que el Factor de
Emisión obtenido difirió del valor bibliográfico, siendo este
último menor.
3.3 Estimación de emisiones de gases de efecto invernadero
En la Figura 1 se aprecia que conforme la tecnología de los
autobuses mejora, las emisiones de CO2 disminuyen, siendo la
tecnología de EURO III la más avanzada, que generó baja
emisión de CO2.
Esto evidenció que el cambio de sistemas de escape, así como
el uso de convertidores catalíticos de los autobuses influyó
positivamente en la cantidad de emisiones de CO2 del mismo.
Figura 1. Promedio Emisión CO2
Los óxidos nitrosos son parte de los GEI más contaminantes
que existen en la actualidad. Como se aprecia en la Figura 2,
la emisión de N2O disminuyó a medida que aumentó la
tecnología.
Entre Euro II y Euro I existió un leve decrecimiento del valor
de emisión, además, la tecnología que utiliza EURO I y II no
se enfocó en bajar las emisiones de este gas, ya que su objetivo
41
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
principal fue disminuir la emisión de CO2 al medio ambiente,
a diferencia de la tecnología Euro III la cual se enfocó
principalmente en la emisión de N2O, causando una
disminución de estas emisiones en los autobuses.
Figura 2. Promedio Emisión N2O (t)
Según Lipman y Delucchi, (2002) las emisiones de N2O de
vehículos equipados con catalizadores con una edad
equivalente a 24.140 km de recorrido, tuvieron emisiones 3,90
veces más altas que un vehículo con la misma tecnología con
catalizador nuevo, es por ello que existió una diferencia
significativa entre las emisiones provenientes de los autobuses
con tecnología Euro I y Euro III.
Las emisiones de metano (CH4) se producen como
consecuencia de la combustión incompleta, además, produce
hidrocarburos no combustionados. Las emisiones de CH4
dependen de varios factores como el tipo de combustible
usado, el diseño y la configuración del motor, el tipo de
sistema de control de emisión (escape de gases), edad de
vehículo y otros factores (Lipman y Delucchi, 2002).
En la Figura 3 se puede apreciar una disminución de emisión
de CH4 entre Euro I y Euro II, pero, existió un aumento en las
emisiones en la tecnología Euro III.
Esta diferencia se atribuyó a los datos de consumo de
combustible de cada autobús los cuales fueron proporcionados
por los conductores, lo que provocó un error no controlable.
Figura 3. Promedio Emisión de CH4
El metano tiene un potencial de calentamiento global que es
25 veces más elevado que el CO2, lo que ocasionó que las
emisiones de este gas contaminaran de forma significativa al
medio ambiente, no obstante, estas emisiones fueron bajas.
El dióxido de azufre (SO2) se produjo debido a la presencia de
azufre en el combustible, que al oxidarse en la atmósfera
contribuye a la formación de partículas que obstruyen los
filtros y por lo tanto reducen la efectividad de las tecnologías
de reducción de emisiones (Cooper, et al 2012), sin embargo,
en la Figura 4 se aprecia un decrecimiento de concentración de
SO2, conforme la tecnología mejora. Estas emisiones podrían
ser más bajas si la calidad del diésel importado hacia el
Ecuador tuviera una menor cantidad de contaminantes como
el azufre, que al tener una combustión incompleta generan
gases como el SO2 que son nocivos para el medio ambiente y
para la salud.
Figura 4. Promedio Emisión SO2 (mg/m3)
42
Estudio de la Huella de Carbono en Unidades Desconcentradas de Terminales Terrestres
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
3.4 Estimación de Huella de Carbono de Fuentes Directas,
Indirectas y otras Indirectas.
La Huella de Carbono correspondiente al Alcance 3 como se
estimó inicialmente fue la que más aporto a la Huella de
Carbono Global, esto se debió a que, en este alcance se
consideró la flota vehicular que conforma la principal
actividad de esta organización.
Como se muestra en la Figura 5 las emisiones fueron
influenciadas por la tecnología de los autobuses y
disminuyeron conforme la tecnología mejoraba, fue por esto
que la tecnología Euro I aportó con el 38,23%, esto se atribuyó
a que dicha tecnología está regida bajo normativa que permite
rangos más altos de emisiones de GEI, que la tecnología Euro
II y Euro III.
Figura 5. Promedio Emisión de la Muestra (t CO2 -e) en función de
tecnología de escape
Como se observa en la Figura 6 se obtuvo que la tecnología
Euro I contribuyó con el 4% de emisiones, esto se debió a que,
aun cuando las emisiones de esta tecnología fueron mucho
mayores, se consideró que la cantidad de autobuses con esta
tecnología en la UDTA fue mucho menor que los autobuses
con tecnología Euro II o Euro III.
Por ello que la mayor aportación de emisiones a la Huella de
Carbono Global estaba dada por los autobuses con tecnología
Euro II, ya que representaron la mayor cantidad de autobuses
en la UDTA.
Figura 6. Porcentaje Huella de Carbono Total t CO2 –e
En la Tabla 3 se presentan los resultados de Huella de Carbono
para el alcance 1 y 3 de la UDTA.
Los resultados para el Alcance 1, consideraron los vehículos
para uso del personal administrativo propios de la empresa no
se utilizaron los vehículos del personal.
Tabla 3. Huella de Carbono Total por Emisiones Directas y otras Indirectas
UDTA
(t CO2–e)
Alcance 1 71,69
Alcance 3 92159,75
En el Alcance 3 se presentó una diferencia significativa en
cuanto a la Huella de Carbono, siendo las emisiones
provenientes de la flota vehicular mayor en cuanto al Alcance
1. Sin embargo, se debió considerar que el estudio de
emisiones en la UDTA se realizó con un total de 1.504
autobuses, mientras que el inventario de GEI de estudios
similares como el de Interurbana de Autobuses S.A de España,
se realizó en una flota vehicular conformada por un total de
139 autobuses, por lo que al ser menor el número de fuentes
de emisión, la Huella de Carbono emitida por esta categoría
fue mucho menor (18264,40 t CO2–e), además, cabe recalcar
que la tecnología disponible para los autobuses europeos así
como las características del diésel utilizado son distintas
(Interurbana de Autobuses S.A Inventario de Gases de Efecto
Invernadero, 2012).
3.5 Estimación de Huella de Carbono por energía.
En la Tabla 4 se presenta las emisiones por energía en la
UDTA, que son mayores que las reportadas en el Inventario de
GEI en Interurbana de Autobuses S.A. Esta diferencia se
atribuyó al número de luminarias y la infraestructura de los
terminales, que constituyeron factores determinantes al
considerar el consumo eléctrico (Interurbana de Autobuses
S.A Inventario de Gases de Efecto Invernadero, 2012).
Tabla 4. Huella de Carbono Total t CO2–e por emisiones indirectas
UDTA Interurbana de Autobuses S.A.
Alcance 2 133,44 125,89
43
Reyes, Viviana; Carranza, Oscar; Rodríguez, Jaime; Ortega, Rubén
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
4. CONCLUSIONES
Se categorizaron las fuentes de emisiones de gases de efecto
invernadero, clasificando las fuentes de emisiones por
alcances, siendo el Alcance 1 (camioneta D-MAX), que
representó la fuente de emisión directa de la UDTA y que
se encuentra en el área de transferencia Ingahurco. El
Alcance 2 comprendió emisiones por energía y estaba
conformado por el consumo eléctrico del área de
transferencia Ingahurco; en el Alcance 3 se encontró la
flota vehicular de las 3 áreas de transferencia Ingahurco,
Cashapamba y América.
Se evaluó el factor de emisión de GEI en las fuentes
móviles, obteniéndose un valor promedio de 78131,532 kg
CO2/TJ. La mayor aportación a la Huella de Carbono de la
organización fue dada por la flota vehicular que se consideró
en el Alcance 3, siendo la responsable de la actividad principal
de la misma.
Para la disminución de la Huella de Carbono en la UDTA se
recomienda la elaboración e implementación de un Plan de
Manejo Ambiental para las áreas de trasferencias. El mismo
que deberá enfocarse en el desarrollo de programas de
intervención y mitigación de los puntos críticos detectados. Los
vehículos deberán adaptarse a la calidad del combustible.
REFERENCIAS
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Manolo Alexander Córdova Suárez.
Docente investigador de la Facultad de
Ciencia e Ingeniera en Alimentos de la
UTA, Ing. Químico, Magister en
Gestión de la Producción Industrial,
Magister en Prevención de Riesgos del
Trabajo, Master Universitario en
Prevención de Riesgos Laborales.
Presidente de LAB&HES CIA. LTDA. y consultor en el
área de seguridad, salud y ambiente en empresas de alto
riesgo.
María de los Ángeles Carrasco Ortiz. Ingeniera Bioquímica graduada en la
Universidad Técnica de Ambato.
Actualmente tiene su empresa de
cosméticos 100% naturales enfocados en
proveer productos libres de parabenos,
derivados del petróleo y aditivos nocivos
para el organismo mejorando así la
calidad de vida de los ecuatorianos y a la vez ser una fuente
de generación de empleos.
Paola Salomé Padilla Valle. Ingeniera
Bioquímica. Sus estudios los realizo en
la Universidad Técnica de Ambato.
Continuo con su formación académica
en el campo ambiental y espera
constituirse como emprendedora social
y contribuir a la comunidad con sus
conocimientos y es por esto que además
actualmente se desempeña como docente.
Sonia Estefanía Garcés Sánchez. Nació
en Ambato, Ecuador en 1993. Ingeniera
Bioquímica titulada en la Universidad
Técnica de Ambato. Actualmente,
estudia una Maestría en Sistemas
Integrados de Gestión en la Universidad
Internacional de la Rioja. Tiene
experiencia como técnico de Seguridad y
Salud Ocupacional.
44
Microbiological Quality of Minimally Processed, Ready-to-Eat, Vegetables in Loja, Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
[email protected] Recibido: 09/01/2018
Aceptado: 19/04/2018
Publicado: 30/04/2018
11. INTRODUCTION
According Betts (2014) in the last few years, the market for
RTE vegetables has increased explosively. The increasing
demand for convenient, ready-to-eat (RTE) foods have greatly
expanded the market demand for minimally processed foods,
like bagged salads resulting in large scale production practices
and broad distribution of fresh products. The main driving
force for this market growth is the increasing consumer
demand for fresh, healthy, convenient and additive-free
prepared products (FAO, 2011). Minimally processed leafy
vegetables RTE products very attractive to consumers looking
for healthy and convenient meals. However, the
microbiological safety of these foods is of special concern due
to the absence of lethal treatments during processing (Oliveira
2011).
Microbiological Quality of Minimally Processed, Ready-to-Eat,
Vegetables in Loja, Ecuador
Hualpa Diana1*, Toledo Zorayda1, Meneses Miguel A.2, Feng Peter3
1. Universidad Técnica Particular de Loja, Departamento de Ciencias de la Salud. Genética Humana, Microbiología y
Bioquímica Clínica. San Cayetano Alto. Loja, Ecuador. AP 1101608 2. Universidad Técnica Particular de Loja, Departamento de Químicas y Ciencias Exactas. Ingeniería de Procesos. San
Cayetano Alto. Loja, Ecuador. AP 1101608
3. Division of Microbiology, United States Food and Drug Administration, College Park, Maryland 20740.
Abstract: Minimally processed, ready-to-eat (RTE) vegetables, are consumed raw so have to comply with
microbiological requirements to ensure safety and avoid possible foodborne illnesses. The objective of this study was
to evaluate the microbiological quality of RTE vegetables: lettuce, spinach, carrot, cabbage with carrot, parsley,
parsley curd and coriander that are sold in supermarkets in the city of Loja, Ecuador. A total of 128 samples from 3
production batch were analyzed for total aerobic count, total coliform and E. coli. The aerobic count obtained
averaged 6,6 log10 CFU/g and ranged from 4,57 to 7,82 log10 CFU/g. The coliform counts a ranged from 0,48 to >
5,04 log10 MPN/g and in 11 samples >5,04 log10 MPN/g was observed. Generic E. coli was detected in 32 samples at
levels less than 6,2 MPN/g. In our study, 50% and 98% of the samples exceeded the reference limits for aerobic and
coliform counts, respectively. The results of this study indicate that RTE vegetables have, in some cases, the same
microbial load as packaged vegetables that are produced without a disinfection process, and maybe potential vehicles
for pathogen transmissions, which means the necessity of regulate the quality assurance of RTE vegetables.
Keywords: microbiological quality, ready-to-eat vegetables, coliforms, Escherichia coli
Calidad Microbiológica de Vegetales Mínimamente Procesados
Listos para el Consumo, en Loja, Ecuador
Resumen: Los vegetales listos para el consumo o mínimamente procesados (VMP), son consumidos crudos de modo
que deben cumplir con requerimientos microbiológicos para asegurar la seguridad y evitar en lo posible enfermedades
transmitidas por alimentos. El objetivo de este estudio fue evaluar la calidad microbiológica de VMP: lechuga,
espinaca, zanahoria, col con zanahoria, perejil liso, perejil crespo y culantro que se comercializan en supermercados
de la ciudad de Loja, Ecuador. 128 muestras provenientes de tres lotes de producción se analizaron en cuanto a
aerobios totales, coliformes totales y E. coli. Se obtuvo un conteo de aerobios promedio de 6,6 log10 UFC/g en un
rango entre 4,57 y 7,82 log10 UFC/g. El conteo de coliformes estuvo en el rango desde 0,48 hasta > 5,04 log10 NMP/g
y en 11 muestras se observó valores > 5,04 log10 NMP/g, además se detectó la presencia de E. coli genérica en 32
muestras en niveles menores que 6,2 NMP/g. En nuestro estudio, el 50% y 90% de las muestras excedió los límites
de referencia para aerobios y coliformes totales, respectivamente. Los resultados de este estudio indican que VMP
tienen, en algunos casos, la misma carga microbiana que los vegetales empaquetados que se producen sin ningún
proceso de desinfección, pudiendo ser potenciales vehículos para transmisión de patógenos siendo necesario regular
el aseguramiento de la calidad de los vegetales listos para su consumo.
Palabras clave: calidad microbiológica, vegetales mínimamente procesados, coliformes, Escherichia coli,
45
Hualpa Diana, Toledo Zoraida, Meneses Miguel A., Feng Peter
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Callejón et al., (2015) mention that at the same time, outbreaks
of foodborne illnesses associated with the consumption of
fresh produce have increased. The complexities in production,
processing, transportation and storage can be gaps for
insanitation and contamination resulting in health risks. As a
result, fresh produces have been implicated in many food
borne outbreaks worldwide with Listeria monocytogenes,
Escherichia coli serotype O157:H7 and Salmonella (Feng and
Reddy, 2013; Johnston et al., 2006). In recent years, the
percentage of food poisonings induced by the consumption of
contaminated vegetables and juices and other products thereof
in the European Union ranged from 2,1% in 2009 to 7,1% in
2014 (EFSA, 2015).
For example, an outbreak of E. coli O157:H7 in 2006, in the
United States caused by packed spinach, affected 23 states and
some months later, another O157:H7 outbreak affected a chain
of fast food restaurants and it was suspected to be due to the
consumption of packed lettuce (Valentin-Bon et al., 2008).
These incidences raised major public health concerns about the
safety and quality of fresh produce. Accordingly, the
PAHO/WHO Regional System of Information for
Epidemiologic Watching of Diseases Transmitted by Foods
(PAHO/WHO, On line) declared that in Latin America
between 1998 to 2002, vegetables were the main vehicle
involved in the outbreaks of diseases transmitted by food. This
rising awareness has prompted many studies worldwide on the
microbiological quality of fresh vegetable products, including
in the United Kingdom (Sagoo et al., 2001, 2003), Spain
(Soriano et al., 2006), the United States (Feng and Reddy,
2013; Valentin-Bon et al., 2008), Venezuela (Rincón et al.,
2010), Chile (López et al., 2003) and Brazil (Fröder et al.,
2007), but no studies have been done in Ecuador.
In this study, we examined various RTE vegetables that are
sold in supermarkets to assess the microbiological quality of
fresh produce sold in Loja, Ecuador.
2. MATERIALS AND METHODS
2.1 Produce samples
A total of 128 samples of RTE and packed vegetable samples
were collected randomly from 3 supermarket chains from June
to November 2014 in the city of Loja, Ecuador. The 60 RTE
samples (some containing two to three ingredients, including
lettuce, cabbage, carrot) consisted of packed, cut vegetables of
lettuce (Creole, Roman and American), parsley (plain and
curly) and coriander. These samples were obtained unopened
in the original containers prior to their expiration date, and the
production batches were verified and within the shelflife time
frame of up to eight days, as indicated by the labels. Samples
were placed in ice chests and transported immediately to the
laboratory for analysis.
2.2 Microbiological analysis
The metadata on all the samples were recorded, including the
name of the manufacturer, type of vegetable, lot number, date
of expiration and type of packaging. Samples that were
deteriorated or had visible damaged were discarded and not
included in the analysis.
The surfaces of the containers were disinfected with 70%
alcohol before sampling, to prevent cross-contamination.
The microbiological quality of the samples was determined
with methods of the FDA Bacteriological Analytical Manual
(BAM) (U.S., 2013)
(http://www.fda.gov/Food/FoodScienceResearch/Laboratory
Methods/ucm2006949) briefly, 50 g of the product (from 3
production batches) were weighed and mixed with 450 mL of
buffered peptone water, from which 1:10 serial dilutions were
made until the final dilution of 107. The mesophilic aerobic
count was performed by standard plate count using plate count
agar (Difco BBL). The counts of coliform bacteria and E. coli
were determined by the MPN method using Lauryl Sufate
Tryptose broth, but modified with the use of ColiComplete
disks (Biocontrol Bellevue, WA) (AOAC, 2012) as described
in literature (Valentin-Bon et al., 2008). The disks contain X-
Gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside)
which is cleaved by β-galactosidase to produce a blue color
that is indicative of coliform. The discs also contain 4-
methylumbelliferone-ß-D-glucuronide, which is cleaved by E.
coli ß-glucuronidase activity to produce blue fluorescence
visible at 365-nm UV. After 48 h of incubation at 37°C, tubes
with blue dye were counted as coliform positive and those with
blue fluorescence were positive for E. coli. The level of
coliform and E. coli present was estimated by MPN/g based
on the combination of positive tubes.
The identification of the genus and the species of the gram-
negative bacilli was carried out touching lightly the center of
the colony with sterile inoculating needle and inoculate to
Triple iron Agar (Difco BBL) slant, Lysine iron agar (Difco
BBL) slant, Urea broth (BBL), Citrate medium (Difco BBL),
and Sulfide indole motility agar (BBL) by streaking slant and
stabbing butt. The culture was incubated 24 ± 2 h at 35°C and
for the confirmation the Microgen GN-ID identification
system was used.
3. RESULTS AND DISCUSSION
3.1 The mesophilic aerobic count
In the mesophilic aerobic bacteria count the mean microbial
loads for RTE were lettuce 5,66±0,6, spinach 6,45±0,8, carrot
7,23±0,2, cabbage with carrot 7,31±0,3 log10 CFU/g, in the
case of packaged vegetables, the mean microbial loads were:
parsley smooth 5,58±0,6, parsley curli 6,09±0,4, coriander
6,03±0,5, lettuce creole 5,18±0,8, lettuce romaine 6,00±0,4
and spinach 6,00±0,4 log10 CFU/g, these values are shown in
Table 1.
3.2 Total coliforms and E. coli
The number of total coliforms and E. coli in RTE and
packaged vegetables are presented in Tables 2 and 3. Total
coliforms were not detected in 6,7% of the vegetables
(spinach).
All 5 samples (100%) of grated carrot and cabbage with carrot
contained coliform levels between 5,04 and >5,04 log10
MPN/g.
46
Microbiological Quality of Minimally Processed, Ready-to-Eat, Vegetables in Loja, Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
E. coli was detected in 13 of 60 (21,7 %) RTE vegetable
samples and in 19 of 68 (27,9 %) packaged vegetable samples
(Table 3), but the levels were less than 6,2 MPN/g.
3.3 Discussion
The total counts of the lettuce samples we analyzed had a mean
value of log 5,66 and ranged from 4,57 to 6,78 log10 CFU/g
(Table 1). In Iran, RTE vegetables were examined and reported
mean total counts of log 6.7 with ranges from 5,5 to 7,4 log10
CFU/g (Jeddi et al., 2014). In the Campinas area of Brazil,
analysis of conventional and organic vegetables reported total
count values from 4,00 to 6,89 log10 CFU/g (Maffei et al.,
2013) and from 6,07 to 7,48 log10 CFU/g (Maistro et al.,
2012), respectively. Our results are consistent with these data
and with those reported from the United States in 55 samples
of RTE salads (Hagenmaier and Baker, 1998) and in 100
samples of RTE vegetables (Valentin-Bon et al., 2008). In
Spain, total counts between 3,1 to 7,81 log10 CFU/g were
reported in 140 lettuce samples collected from 16 restaurants
(Soriano et al., 2006). It has been noted that in all vegetable
samples aerobial mesophylls were developed. In another study
from Brazil, 21% of 133 samples of RTE vegetables showed
> 6,0 log10 CFU/g for coliforms (Fröder et al., 2007). All these
studies showed that RTE vegetables sampled worldwide
contains high levels of total bacteria, often >7,0 log10 CFU/g.
Large variability in total counts not only between different
samples but also within samples from the same producer and
with the same production date have been previously described
(Valentin-Bon et al., 2008). We found similar patterns in our
study, all samples studied were positive for coliforms, where
lettuce and spinach samples had values ranged from 4,57 to
6,78 and from 5,47 to 7,82 log10 CFU/g, respectively.
Table 1. Aerobic mesophilic counts in RTE and packed vegetables samples, with percentages of samples at the indicated
levels.
Produce No. of
samples Mean* Rangea
Percentages
>107 106 -107 105-106 <105
Lettuce (RTE) 35 5,66±0,6 4,57-6,78 11 20 57 11
Spinach (RTE) 15 6,45±0,8 5,47-7,82 27 40 33 0
Carrot (RTE) 5 7,23±0,2 6,86-7,44 80 20 0 0
Cabbage with carrot
(RTE) 5 7,31±0,3 6,80-7,56 80 20 0 0
Parsley smooth
(packaged) 13 5,58±0,6 4,95-6,83 0 8 69 23
Parsley curly (packaged) 13 6,09±0,4 5,56-6,95 0 54 46 0
Coriander (packaged) 12 6,03±0,5 4,95-6,82 0 58 33 8
Lettuce creole (packaged) 10 5,18±0,8 4,95-6,82 0 20 40 40
Lettuce romaine
(packaged) 10 6,00±0,4 5,05-6,40 0 80 20 0
American Spinach
(packaged) 10 6,00±0,4 6,80-7,56 0 80 0 20
*Results are expressed as mean±SD of the two replicates; Counts are given in terms of log10 CFU/g of products; a range in log10
CFU/g of product
In some samples, condensations in the bags, probably from
humidity, were observed at the bottom of the bags, and this
may have provided moisture which can stimulate microbial
growth. These results suggest that the microbiological
qualities of the packaged vegetables reported from the various
countries appear to be similar. The mesophyll aerobic count is
used by some countries as an indicator of safety, but has no
direct relation with the presence of pathogens or their toxins.
In Ecuador, there are no regulations for mesophyll aerobic
count for this type of products, but others have suggested 5,0
log10 CFU/g as acceptable for aerobic counts (Solberg et al.,
1990). The National Standard of Iran uses aerobic counts of
less than 6,0 log10 CFU/g as being considered safe for
consumption. In this context, our study showed that 50% of
the produce samples in Loja, Ecuador would have exceeded
this norm. Moisture was observed in the bottom of many of the
bags of lettuce and spinach we tested, which may have favored
microbial growth and contributed to the high counts. The RTE
plant products may be contaminated at each stage of their
production process (both pre- and post-harvest and
processing). Berthold-Pluta et al., (2017) indicated that
potential sources of contamination include soil, water, feces
(human and animal origin), animals (for example insects and
birds), handling of the products, harvesting and processing
equipment and transport.
47
Hualpa Diana, Toledo Zoraida, Meneses Miguel A., Feng Peter
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Table 2. Total coliform counts in fresh RTE and minimally – processed packaged vegetables, with percentages of samples at
the indicated levels
Produce No. of
samples Mean*
Rangea
MPN/g
Percentages
>104
103 –
104
102 –
103
101-
102 <3x101 <3
Lettuce (RTE) 35 4,02±1,1 2,18 - 5,66 48 23 29 0 0 0
Spinach (RTE) 15 3,99±0,9 0,48 - 5,04 53 33 0 7 0 7
Carrot (RTE) 5 TNTC >5,04 100 0 0 0 0 0
Cabbage with carrot
(RTE) 5 TNTC 5,04 - >5,04 100 0 0 0 0 0
Parsley smooth
(packaged) 13 3,81±0,7 2,87 - >5,04 38 31 31 0 0 0
Parsley curly
(packaged) 13 3,14±0,9 1,56 - 4,66 15 31 39 15 0 0
Coriander (packaged) 12 4,52±0,5 3,38 - 5,04 92 8 0 0 0 0
Lettuce creole
(packaged) 10 3,01±1,5 0,48 - 4,66 30 30 20 0 20 0
Lettuce romaine
(packaged) 10 2,98±1,0 1,48 - >5,04 20 30 40 10 0 0
American Spinach
(packaged) 10 3,75±1,2 2,36 - >5,04 80 10 10 0 0 0
*Results are expressed as mean±SD corresponded to each vegetable, counts are given in terms of log10 MPN/g of
products; a range in log10 MPN/g of product; TNTC, too numerous to count
Table 3. Percentages of fresh, RTE and minimally –
processed bagged vegetables that contained E. coli.
Food item (No of samples)
No of
positive
samples
Concentration
(MPN/g)
Lettuce (RTE) (35) 9 6,2
Spinach (RTE) (15) 2 6,2
Carrot (RTE) (5) 1 6,2
Cabbage with carrot (RTE) (5) 1 6,2
Parsley smooth (packaged) (13) 0 --
Parsley curly (packaged) (13) 3 6,2
Coriander (packaged) (12) 3 6,2
Lettuce creole (packaged) (10) 2 6,2
Lettuce romaine (packaged) (10) 5 6,2
American Spinach (packaged)
(10) 6 6,2
The greatest applications of coliform, Enterobacteriaceae, and
E.coli testing is in assessment of the overall quality of a food
and the hygienic conditions present during food processing.
The Enterobacteriaceae, coliforms, and Escherichia coli are
used with as Quality and Safety indicators.
The total coliform counts we obtained were from 0,47 to >5,04
log10 MPN/g (Table 2), which are higher than the 0,47 to 3,38
log10 MPN/g reported in Spain (Soriano et al., 2006) and the
<0,47 to >4,0 log10 MPN/g reported in the United States
(Valentin-Bon et al., 2008). In our study, it was not possible to
obtain a mean coliform value because 13 of the 60 samples
have exceed the counting limit of >5,05 log10 MPN/g. There
are no permissible limits of indicator bacteria for RTE in
Ecuador, but again, using the National Standard of Iran, 98%
of our produce samples have exceeded that standards.
Generic E. coli bacteria were detected in 9 samples of lettuce,
2 samples of spinach, 1 sample of cut carrot and 1 sample of
cabbage with chopped carrot (Table 3). In Brazil, the standard
for minimally processed products for consumption has a limit
of 100 CFU/g for fecal coliforms and in one analysis of 133
salad samples, 73% had exceeded that limit (Fröder et al.,
2007). In the United Kingdom, the Public Health laboratory
has set E. coli limits for RTE foods, including bagged produce,
where E. coli of 20 CFU/g is satisfactory, from 20 to <100
CFU/g as acceptable and ≥ 100 CFU/g as unsatisfactory
(Sagoo et al., 2003). In a few studies, 3200 organic salads and
3852 conventional RTE salads were sampled and analyzed in
the United Kingdom and the results showed that only 0,5% had
exceeded the permissible maximum E. coli limit of 100 CFU/g
and were qualified as unsatisfactory (Sagoo et al., 2001, 2003).
In our study, 25% of the samples had E. coli but did not
exceeded the value of 6,2 MPN/g. This is similar to the results
obtained in the United States (Jeddi et al., 2014; Valentin-Bon
et al., 2008) where E. coli was detected in 21 samples (18,1%)
but at low levels, suggesting that E. coli are not usually present
at high levels in bagged produce.
The common foodborne genera of the Family
Enterobacteriaceae include Citrobacter, Enterobacter,
Erwinia, Escherichia, Hafnia, Klebsiella, Proteus,
Providencia, Salmonella, Serratia, Shigella, and Yersinia, we
also found the presence of other Gram negative bacteria in
produce but in different percentages, Pseudomonas spp (13%),
48
Microbiological Quality of Minimally Processed, Ready-to-Eat, Vegetables in Loja, Ecuador
Revista Politécnica - Abril 2018, Vol. 41, No. 1
Enterobacter aerogenes (45%), Enterobacter cloacae (8,3%),
Klebsiella Oxytoca (1,6%), Citrobacter freundi (3,3%), and
Enterobacter spp (1,6%). These results are consistent with
those reported in literature (Seow et al., 2012; Soriano et al.,
2006). The presence of these microorganisms in foods, may be
indicators of lack of food quality, indicator microorganisms
are considered to be all groups or species of microorganisms
involved in diseases of alimentary origin that are usually
enteric pathogens, which means that they can survive in the
gastrointestinal tract of humans, as well as animals and birds,
a directly or indirectly contaminated with fecal material from
any of these sources, is indicative of the possible presence of
enteric pathogens (Ray and Bhunia, 2010).
The results from all these studies showed that the flora and
bacterial content in RTE products are highly variable and
complex. The microbiological quality of fresh RTE products
from production to packaging has been studied (Johnston et
al., 2006) and showed that indicator levels in mustard and
spinach leaves remained relatively constant, whereas in
coriander, parsley and, above all, melons had varied counts
demonstrating that the microbial load not only vary according
to processing, but also depends on the type of product. The
processing procedures for each one of the produce products is
different moreover, variations in the microbial load can also
occur during storage.
Prevention of foodborne contamination in fresh-cut processing
starts in the field by identifying and eliminating possible
sources of contamination. Principles of Good Agricultural
Practices (GAP) and Good Handling Practices (GHP) remain
the pre-requisite cornerstones of food safety management
strategies to address challenges posed at the pre-harvest level
(Castro-Ibañez et al 2017).
In conclusion, there is a wide range and variations in the
microbial counts in the fresh produce samples in Ecuador and
even between samples with the same use-by-dates. These RTE
produce products can contain very high levels of microbial
content and these products are difficult to disinfect, hence can
pose health risks if contaminated with pathogens. To improve
the safety of fresh vegetables in the industry some effective
measures should be applied such as chemical and physical
treatments, refrigeration and packaging in modified
atmosphere can inhibit or retard bacterial growth.
For the prevention of contamination in fresh processed
vegetables, possible sources of contamination should be
identified, Principles of Good Agricultural Practices (GAP)
should be applied, Good Handling Practices (GHP), food
safety management based on the previous analysis of the
harvest.
4. ACKNOWLEDGEMENTS
Authors are gratefully to the Oficina de Transferencia de
Resultados de Investigación (OTRI-UTPL), Dr. Omar
Malagón.
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Diana Inés Hualpa Salinas
Engineer in Agricultural Industries
graduated from the Universidad Técnica
Particular de Loja (UTPL), Higher
Diploma in Innovative Pedagogies
(UTPL), Magister Scentiae in Food
Technology graduated from the National
Agrarian University La Molina - Peru.
Experience as Head of Production and
Quality Assurance in food industries. Head of Food
Microbiology Laboratory. Professor Researcher of the Health
Sciences Department at the Universidad Técnica Particular de
Loja. Experience as a researcher in the field of Food
Zorayda Patricia Toledo Barrigas
Biochemist Pharmacist graduated from
the Universidad Técnica Particular de
Loja (UTPL), Master in Advanced
Microbiology, Biomedical mention
graduated from the University of
Guayaquil. Professor Researcher of the
Health Sciences Department at the
Universidad Técnica Particular de Loja.
Experience as a researcher in bacterial resistance and in
Campylobacter and Enteropathogenic Escherichia coli as
etiological agents causing foodborne
Miguel Ángel Meneses
Ph.D. in Chemical Engineering in 2014,
Italy, Salerno University. Chemical
Engineer in 2006, Ecuador, Universidad
Técnica Particular de Loja. Professor in
the Chemistry and Exact Sciences
Department at the Universidad Técnica
Particular de Loja. Head of INNOTECH
research and innovation group.
Experience as researcher in innovative technology for food,
pharmaceutical and chemical processes.
Peter Feng Ph.D. in Microbiology in 1981, Iowa
State Univ. Postdoc in Molecular
Biology, Purdue Univ. 1981-1984.
Program Manager, diagnostic assays for
microbial pathogens, IGEN Inc. 1984–
1988. FDA Division of Microbiology
(1988 -2018). Has 29 yrs of research
expertise on Shiga toxin-producing E.
coli (STEC). FDA subject matter expert for STEC - outbreak
investigations and reviews compliance violations. Published
~140 papers, reviews and chapters. Member of ISO TC 34/SC
9; Expert of WHO/FAO JEMRA; National Advisory
Committee on Microbiological Criteria for Foods
(NACMCF); Co-Chair, WHO STEC Expert Panel. FDA
Scientific Achievement Award (1998); FDA Award of Merit
(2013). Fellow American Academy of Microbiology. Fluent in
mandarin Chinese and Spanish.
50
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
_________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
11. SECCIÓN I
Este documento es una plantilla para versiones Microsoft
Word 2013 o posteriores. Si está leyendo una versión impresa
de este documento, por favor descargue el archivo electrónico,
revistapolitécnicaformato2016.docx. En caso de que el autor
desee enviar el artículo en formato LaTex por favor
comunicarse con la coordinación de edición
([email protected]). Por favor, no coloque numeración
ni pie de página en el documento presentado.
No cambie los tamaños de fuente o espaciado de renglones
para ajustar el texto a un número limitado de páginas.
Utilice cursiva o negrita para dar énfasis a un texto, no
subrayado.
2. SECCIÓN II
Para las pautas de presentación, siga las instrucciones emitidas
por el sistema del sitio web de la revista de la EPN.
Colocar el correo electrónico del autor de correspondencia.
La presentación inicial debe tomar en cuenta todas las
indicaciones que se presentan en la plantilla, para de esta
manera tener una buena estimación de la longitud del artículo
a publicarse. Además, de esta manera el esfuerzo necesario
para la presentación final del manuscrito será mínimo.
Como sugerencia, es importante tomar en cuenta que, el primer
autor es el investigador que hizo la mayor parte del trabajo,
mientras que el último autor suele ser el profesor quien es el
líder intelectual y, a menudo edita y presenta el borrador final
del documento.
La Revista Politécnica pondrá en marcha un sistema de
transferencia electrónica de derechos de autor en su momento.
Por favor, "no" enviar formularios de derecho de autor por
correo o fax. A continuación se detallan las consideraciones
que se deben tener en cuenta para la presentación final del
artículo.
3. SECCIÓN III
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica Utilizar
Mayúsculas en cada Palabra en el Caso del Título
Apellido, Nombre1; Apellido, Nombre2; Apellido, Nombre3
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecatrónica, Quito, Ecuador
2Escuela Politécnica del Litoral, Facultad de Ingeniería Industrial, Guayaquil, Ecuador 3Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Exactas, Cuenca, Ecuador
Resumen: Las siguientes instrucciones establecen las pautas para la preparación de artículos para la Revista
Politécnica. Los artículos pueden ser escritos en español o en inglés, pero tendrán un resumen de máximo 250 palabras
en los dos idiomas. Los autores pueden hacer uso de este documento como una plantilla para componer su artículo si
están utilizando Microsoft Word 2013 o superior. Caso contrario, este documento puede ser utilizado como una guía
de instrucciones. El número mínimo de páginas será 6 y el máximo 15, Para el envío de los artículos, los autores
deben seguir las instrucciones colocadas en el sistema de recepción de artículos del sitio web de la Revista Politécnica
(www.revistapolitecnica.epn.edu.ec). En caso de que su artículo sea en inglés colocar el título y el resumen en los
dos idiomas.
Palabras clave: Incluir una lista de 3 a 6 palabras.
Title of Manuscript
Abstract: These instructions give you guidelines for preparing papers for EPN Journal. Papers can be written in
Spanish or English; however, an abstract of maximum 250 words and written in both languages is required. Use this
document as a template to compose your paper if you are using Microsoft Word2013 or later. Otherwise, use this
document as an instruction set. The minimum number of pages will be 6 and the maximum will be 15. For submission
guidelines, follow instructions on paper submission system from the EPN Journal
website(www.revistapolitecnica.epn.edu.ec).
Keywords:Include a list of 3 to 6 words.
Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre
_______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
3.1 Figuras, tablas y márgenes
Todas las figuras deben ser incorporadas en el documento. Al
incluir la imagen, asegúrese de insertar la actual en lugar de un
enlace a su equipo local. Los archivos de: figuras, dibujos,
fotografías, etc., deberán enviarse en formato bmp o jpg, con
al menos 1200 puntos (resolución) en uno de sus ejes, con
leyendas legibles y de tamaño adecuado. El artículo debe
contener entre tablas y figuras un máximo de 10.
Las etiquetas de los ejes de las figuras son a menudo una fuente
de confusión. Utilice las palabras en lugar de símbolos. Por
ejemplo, escriba la cantidad "Magnetización," o
"Magnetización M" no sólo "M".
Las figuras y tablas deben estar en la parte superior e inferior
de las columnas. Evite colocarlas en medio de ellas. Las
figuras y tablas grandes pueden extenderse a lo largo de ambas
columnas. Las leyendas de las figuras deben estar centradas
debajo de las figuras, los títulos de las tablas deben estar
centrados sobre ellas. Evite colocar figuras y tablas antes de su
primera mención en el texto. Para la mención de figuras, tablas
o ecuaciones utilice las palabras completas con la primera letra
en mayúscula, por ejemplo "Figura 1".
Coloque las unidades entre paréntesis. No etiquete los ejes sólo
con unidades. Por ejemplo, escriba "Magnetización (A/m)" o
"Magnetización (Am-1)", no sólo "Magnetización A/m." No
etiquete los ejes con una relación de cantidades y unidades. Por
ejemplo, escriba "Temperatura (K)", no "Temperatura K".
Los multiplicadores pueden ser especialmente confusos.
Escriba "Magnetización (kA/m)" o "Magnetización
(103A/m)". No escriba "Magnetización (A/m) x 1000" porque
el lector no sabrá si la etiqueta del eje de arriba significa 16000
A/m o 0,016 A/m. Las etiquetas de las figuras deben ser
legibles, con un valor de 8 y sin espacio de separación con la
figura.
Figura 1. Distribución Weibull de 60 Hz voltajes de ruptura11 cables α =
45,9 kV picoβ = 5,08.Intervalo de Confidencia 95%
Los autores deben trabajar activamente con los márgenes
solicitados. Los documentos de la revista serán marcados con
los datos del registro de la revista y paginados para su inclusión
en la edición final. Si la sangría de los márgenes en su
manuscrito no es correcta, se le pedirá que lo vuelva a
presentar y esto, podría retrasar la preparación final durante el
proceso de edición.
Por favor, no modificar los márgenes de esta plantilla. Si está
creando un documento por su cuenta, considere los márgenes
que se enumeran en la Tabla 1. Todas las medidas están en
centímetros.
Tabla 1.Márgenes de página
Página Superior Inferior Izquierda/
Derecha Primera 2,0 2,5 1,5 Resto 2,0 2,5 1,5
3.2 Ecuaciones
Si está usando MSWord, sugerimos utilizar el Editor de
ecuaciones de Microsoft o el MathTypeadd-on para las
ecuaciones en su documento (Insertar/Objeto/Crear
Nuevo/Microsoft Ecuación o Ecuación MathType). La opción
"flotar sobre el texto" no se debe elegir.’
Enumere las ecuaciones consecutivamente con los números de
la ecuación en paréntesis contra el margen derecho, como en
(1). Utilice el editor de ecuaciones para crear la ecuación y esta
debe estar localizada en el margen derecho, como se muestra
en el ejemplo siguiente:
)]2(/[),( 020
2
rddrrFr
(1)
Asegúrese de que los símbolos en su ecuación han sido
definidos antes de que aparezcan en la ecuación o
inmediatamente después. Ponga en cursiva los símbolos (T
podría referirse a la temperatura, pero T es la unidad tesla).
Para referirse a la ecuación se escribe por ejemplo “Ecuación
(1) "
3.3 Unidades
Utilice el SI como unidades primarias. Otras unidades pueden
ser utilizadas como unidades secundarias (en paréntesis). Por
ejemplo, escriba "15 Gb/cm2 (100 Gb/in2)". Evite combinar las
unidades del SI y CGS, como la corriente en amperios y el
campo magnético en oerstedios. Esto a menudo lleva a
confusión porque las ecuaciones no cuadran
dimensionalmente. Si tiene que usar unidades mixtas, aclare
las unidades para cada cantidad en una ecuación.
Por ejemplo, en el SI la unidad de fuerza de campo magnético
Hes A/m. Sin embargo, si desea utilizar unidades de T, o bien
se refiere a la densidad de flujo magnético B o la fuerza del
campo magnético simbolizadas como µ0H. Use un punto en el
centro para separar las unidades compuestas, por ejemplo,
“A·m2.”
3.4 Abreviaturas y Siglas
Defina las abreviaciones y acrónimos la primera vez que se
utilizan en el texto, incluso después de que ya han sido
Breakdown Voltage (kV)
100 101 102
0.2
0.1
2
20
70
90
98
99.9
50
Wei
bull
Bre
akdo
wn
Pro
babi
lity
(%)
30
10
5
1
0.5
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
_________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
definidos en el resumen. No utilice abreviaturas en el título a
menos que sea inevitable.
3.5 Otras recomendaciones
Para expresar valores decimales se usarán comas, por
ejemplo 3,45. Use un cero antes del decimal.
Se incluirá un espacio entre números para indicar los
valores de miles, por ejemplo 463 690.
Utilice notación científica para expresar números con
más de 3 cifras hacia la derecha o izquierda, es decir,
mayores a 2,50E+05 o menores a 4,8E-03.
Finalmente, de ser necesario y de manera opcional, se
pueden incluir conclusiones, recomendaciones y
agradecimiento.
REFERENCIAS
La lista de referencias debe estar en Formato APA
ordenada alfabéticamente de acuerdo con el apellido del
primer autor del artículo. El agregado et al no debe ir en
cursiva. Por favor nótese que todas las referencias listadas aquí
deben estar directamente citadas en el cuerpo del texto usando
(Apellido, año). Las notas al pie deben evitarse en la medida
de lo posible.
El artículo debe contener un mínimo de 6 referencias.
Seguir el formato indicado a continuación de acuerdo al tipo
de referencia a:
Formato básico para referenciar libros:
Apellido, Inicial Nombre. (Año). Título del libro. Ciudad,
País: Editorial.
Libros con un autor:
En las referencias: King, M. (2000). Wrestling with the angel: A life of Janet Frame. Auckland,
New Zealand: Viking.
Cita en el texto:
(King, 2000) o King (2000) argumenta que ...
Libros con dos autores:
En las referencias: Treviño, L. K., y Nelson, K. A. (2007). Managing business ethics: Straight
talk about how to do it right. Hoboken, NJ: Wiley
Cita en el texto:
(Treviño y Nelson, 2007) oTreviño y Nelson (2007)
ilustran…
Libros con dos o más autores:
En las referencias: Krause, K.-L., Bochner, S., y Duchesne, S. (2006). Educational psychology
for learning and teaching (2nd ed.). South Melbourne, VIC., Australia:
Thomson.
Cita en el texto:
De acuerdo con Mezey et al. (2002) o ... (Mezey et al.,
2002).
Formato básico para referenciar artículos científicos
Apellido, Inicial Nombre. (Año). Título del Artículo.
Título/Iniciales de la Revista. Número de Volumen (Tomo),
páginas
Artículos en revistas:
En las referencias: Sainaghi, R. (2008). Strategic position and performance of winter
destinations. TourismReview, 63(4), 40-57.
Cita en el texto:
(Sainaghi, 2008) oSainaghi (2008) sugiere ...
Artículos con DOI
En lasreferencias: Shepherd, R., Barnett, J., Cooper, H., Coyle, A., Moran-Ellis, J., Senior, V.,
& Walton, C. (2007). Towards an understanding of British public attitudes concerning human cloning. Social Science& Medicine, 65(2), 377-392.
http://dx.doi.org/10.1016/j.socscimed.2007.03.018
Cita en el texto:
Shepherd et al. (2007) o Shepherd et al. (2007) resaltan la...
Artículos sin DOI
En las referencias Harrison, B., & Papa, R. (2005). The development of an indigenous
knowledge program in a New Zealand Maori-language immersion
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Cita en el texto:
(Harrison y Papa, 2005) o En su investigación, Harrison y
Papa (2005) establecieron...
Artículos en línea
En lasreferencias: Snell, D., & Hodgetts, D. (n.d.). The psychology of heavy metal communities
and white supremacy. Te KuraKeteAronui, 1. Obtenido de: http://www.waikato.ac.nz/wfass/tkka. (Mayo, 2015).
Cita en el texto:
(Snell y Hodgetts, n.d.) oSnell y Hodgetts (n.d.) identificaron
"..."
Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre
_______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
INFORMACIÓN ADICIONAL
Sistema de Arbitraje:
Todos los artículos cumplen con una revisión por pares, la cual
consiste en:
Selección de dos o tres árbitros, actualmente la Revista
Politécnica cuenta con revisores internos, externos e
internacionales, quienes envían al editor
su evaluación del artículo y sus sugerencias acerca de
cómo mejorarlo.
El editor reúne los comentarios y los envía al autor
Con base en los comentarios de los árbitros, el editor
decide si se publica el manuscrito.
Cuando un artículo recibe al mismo tiempo evaluaciones
tanto muy positivas como muy negativas, para romper
un empate, el editor puede solicitar evaluaciones
adicionales, obviamente a otros árbitros.
Toda la evaluación se realiza en un proceso doble ciego,
es decir los autores no conocen quienes son sus
revisores, ni los revisores conocen los autores del
artículo.
Instructivo para publicar un Artículo
1. Crear un usuario y contraseña para acceder al portal
web de la Revista Politécnica, para mayor
información está el correo [email protected]
2. Ingresar al portal web e iniciar el proceso de envío
3. Comenzar el envío
4. Colocar requisitos de envío
Lista de comprobación de preparación de envíos
Como parte del proceso de envío, se les requiere a los
autores que indiquen que su envío cumpla con todos
los siguientes elementos, y que acepten que envíos
que no cumplan con estas indicaciones pueden ser
devueltos al autor.
- La petición no ha sido publicada previamente, ni
se ha presentado a otra revista (o se ha
proporcionado una explicación en Comentarios
al Editor).
- El fichero enviado está en formato OpenOffice,
Microsoft Word, RTF, o WordPerfect.
- Se han añadido direcciones web para las
referencias donde ha sido posible.
- El texto tiene interlineado simple; el tamaño de
fuente es 10 puntos; se usa cursiva en vez de
subrayado (exceptuando las direcciones URL); y
todas las ilustraciones, figuras y tablas están
dentro del texto en el sitio que les corresponde y
no al final del todo.
- El texto cumple con los requisitos bibliográficos
y de estilo indicados en las Normas para
autoras/es, que se pueden encontrar en "Acerca
de la Revista".
Nota de copyright
Los autores que publican en esta revista están de
acuerdo con los siguientes términos:
- Los autores conservan los derechos de autor y
garantizan a la revista el derecho de ser la
primera publicación del trabajo al igual que
licenciado bajo una Creative Commons
Attribution License que permite a otros
compartir el trabajo con un reconocimiento de la
autoría del trabajo y la publicación inicial en esta
revista.
- Los autores pueden establecer por separado
acuerdos adicionales para la distribución no
exclusiva de la versión de la obra publicada en la
revista (por ejemplo, situarlo en un repositorio
institucional o publicarlo en un libro), con un
reconocimiento de su publicación inicial en esta
revista.
- Se permite y se anima a los autores a difundir sus
trabajos electrónicamente (por ejemplo, en
repositorios institucionales o en su propio sitio
web) antes y durante el proceso de envío, ya que
puede dar lugar a intercambios productivos, así
como a una citación más temprana y mayor de
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