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ISSN (Print) 0120-6230 - ISSN (Online) 2422-2844
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  • Editorial

    •  
  • Characterization of the urban heat island at Bucaramanga, Colombia, using
           real-time temperature monitoring

    • Abstract: ABSTRACT One of the meteorological effects in cities is the increase in local temperature, which is known as urban heat island (UHI). The objective of this study was to detect and quantify the possible UHI in the city of Bucaramanga, Colombia. For this purpose, a real-time temperature measurement network was installed, composed of seven nodes, used to obtain temperature values every minute. Six of the nodes were located in different positions in the city, and the remaining one was used to give the reference measurement. The data collected were processed for elimination of outliers, management of missing data and noise filtering. Analysis of the data allowed detecting differences in the diurnal and nocturnal UHI intensity trends. It was concluded that the UHI intensity during the day varies depending on the Local Climate Zone that represents the location, while the UHI intensity value at night is quite uniform across the city, with a mean value of 1.0 °C. It was also possible to conclude that the magnitude of the daytime UHI is lower in the dry season.RESUMEN Uno de los efectos meteorológicos en las ciudades es el incremento de la temperatura local, lo que se conoce como isla de calor urbana (UHI, por sus siglas en inglés). El objetivo de este estudio fue detectar y cuantificar la posible UHI en Bucaramanga, Colombia. Para este fin, una red de medición de temperatura en tiempo real fue instalada, la cual estaba compuesta por siete nodos, con los que se obtenían valores de temperatura cada minuto. Seis de los nodos fueron ubicados en diferentes sitios de la ciudad, y el restante fue usado para dar la medición de referencia. Los datos recolectados fueron procesados para eliminar datos atípicos, administrar los datos faltantes y reducir el ruido. El análisis de los datos permitió detectar diferencias en las tendencias de la intensidad de las UHI diurna y nocturna. Se concluyó que la intensidad de la UHI durante el día varía dependiendo de la Zona de Clima Local que representa el sitio, mientras que el valor de la intensidad de la UHI de noche es bastante uniforme a través de la ciudad, con un valor promedio de 1,0 °C. También fue posible concluir que la magnitud de la UHI diurna es menor en la temporada seca.
       
  • Analysis of the soiling effect on solar-panel power efficiency in the
           Colombian Caribbean region

    • Abstract: ABSTRACT This paper summarizes the impact of soil/dirt in solar-panel performance in the Colombian Caribbean Region. The corresponding experiment compares the performance of two identical solar panels, which are subjected to different scenarios. The objective of this research is, to categorize or establish on site solar-radiation ranges in order to estimate the actual solar-panel efficiency compared to 1000 W/m2. The maximum power point is calculated using an I vs V transfer function approximation. The soiling related maximum-power-point impact analysis is carried out with a complete Multivariate Analysis of Variance (ANOVA) considering three fundamental factors: dirt/particles, solar radiation and day. According to experimental results, the soiling effect in the solar-panel efficiency reduction has been estimated as up to 6% during times of the day with the maximum solar radiation; while for lower radiations, the effect decreases exponentially becoming negligible on the available electric power. Thus, empirically it is shown that the effect of dirt/particles is significant from a clean solar-panel to one with light accumulation, but such a negative effect rapidly diminishes as accumulation changes from light to heavy. Therefore, it is suggested that once some dirt accumulates on a panel, a cleaning procedure can wait until the particle accumulation becomes heavy. Thus, this study can become a tool that solar-power-plant operators can employ to estimate the trade-off between photovoltaic-system power efficiency and its financial viability.RESUMEN Este artículo analiza el efecto del material particulado sobre el rendimiento de paneles solares en la Región Caribe Colombiana. Durante el experimento se compara el rendimiento de dos paneles solares identicos sometidos a diferentes escenarios. El objetivo es categorizar y establecer rangos de radiacion solar para estimar su eficiencia comparado con la de 1000 W/m2. El máximo punto de potencia es calculado usando la aproximación de la curva de transferencia I vs V, para luego analizar el impacto de la suciedad a través de un análisis de varianza multifactorial completo (ANOVA) considerando tres factores fundamentales: suciedad/partículas, radiación solar y día. Según los resultados, se estima que el efecto de la suciedad en la eficiencia decae hasta un 6% durante las horas del día con la máxima radiación solar; para radiaciones menores, el impacto en la eficiencia disminuye exponencialmente, lo que implica que la suciedad puede ser insignificante de acuerdo con la potencia disponible. Este estudio revela que el efecto de la suciedad es significativo cuando el panel pasa de limpio a ligeramente sucio, pero este efecto disminuye rápidamente cuando la acumulación cambia de ligera a pesada. Así, se sugiere que una vez el panel tenga suciedad acumulada, los procedimientos de limpieza esperen hasta que la acumulación sea pesada. Así, este estudio se convierte en una herramienta para estimar la relación entre la eficiencia energética de los sistemas fotovoltaicos y su viabilidad financiera.
       
  • Simulation of Cr-III dispersion in the High Bogotá River Basin using
           the WASP model

    • Abstract: ABSTRACT The Bogotá River is the major river in Cundinamarca and one of the main water streams in the city of Bogotá. Industries from different economic activities have been established around the river, especially tanneries. The current and traditional tanning process requires a large volume of water to be operative, and during their operation environmental problems take place, due to the pollutant discharged in the river with the process water. Chrome III (Cr III) is a persistent pollutant that represents an important public health issue, since it can transform into Chrome VI, which is very harmful to the environment and people. Water quality simulations were performed for the dispersion of this pollutant in the Bogotá River. The results may help to establish a degree of pollution, monitoring and treatment spots in the river. The main aim of this research is to simulate Cr III in a defined stretch of 8 km along from Villapinzón. WASP model was used for the simulations development to represent the Cr III dispersion at the study conditions. 8 mixing zones were identified in the simulation domain, which constitutes key points for water uptake for treatment and further applications. Additionally, dispersive coefficient, flow, and system geometry were identified as the main factors in the simulation results. Simulation results were validated using IOA as validation parameter between observed and simulated data. A value of 0.853 was obtained for IOA.RESUMEN El río Bogotá es el principal en Cundinamarca y una de las corrientes principales de agua en la ciudad de Bogotá. Se establecen diversas industrias alrededor del cuerpo de agua, especialmente curtiembres. El proceso de curtido requiere un gran volumen de agua, durante su operación surgen problemas ambientales relacionados con los vertimientos de las curtiembres. El Cromo III (Cr III) es un contaminante conservativo que representa un importante problema de salud pública, ya que puede transformarse en Cromo VI, siendo este perjudicial para el medio ambiente y la población. Se realizaron simulaciones de calidad del agua para la dispersión de este contaminante en el río Bogotá. Los resultados pueden ayudar a establecer un grado de contaminación, monitoreo y puntos de tratamiento en el río. El objetivo principal de esta investigación es simular el Cr III en un tramo de 8 km a lo largo de Villapinzón. Se utilizó el modelo WASP para representar la dispersión de Cr III bajo las condiciones de estudio. Se identificaron 8 zonas de mezcla en el tramo simulado, siendo estos, puntos clave para implementar medidas de tratamiento y otras aplicaciones. El coeficiente de dispersión, el flujo y la geometría del sistema se identificaron como los principales factores en los resultados de la simulación. La simulación se validó utilizando el IOA como parámetro de validación entre los datos observados y simulados, obteniendo un valor de 0.853.
       
  • An integrated platform for smart energy management: The CC-SEM project

    • Abstract: ABSTRACT Energy management focuses on improving the efficient use of resources and increasing energy access in a path towards a more sustainable society. In spite of the strategies that have been proposed to guarantee increased access to the energy resources at affordable costs, there are still challenges to ensure the conservation of the resources and the protection of the environment. In line with these objectives, Cloud Computing for Smart Energy Management project (CC-SEM) is a research effort for building an integrated platform for smart monitoring, controlling, and planning energy consumption and generation in urban scenarios. CC-SEM includes, firstly, the design of a low-cost IoT device capable of monitoring, operating, and controlling home appliances according to predefined rules. It was developed with the aim of automatically manage consumption. Secondly, an analysis of 5G Narrowband IoT as a suitable cellular technology for Smart Grid outage restoration and management message delivery was addressed. Thirdly, an analysis of domestic consumption patterns was carried out to help to predict home consumption, using literature measurements. Fourthly, within the context of electrical network simulation, a forecasting and performance evaluation methodology for the generation of individual photovoltaic systems is proposed. In summary, CC-SEM presents the research efforts to provide a set of tools for controlling home devices, planning/simulating scenarios of energy generation, and to propose advances in the communication infrastructure for transmitting the generated data.RESUMEN La gestión energética se centra en mejorar el uso eficiente de los recursos y aumentar el acceso a la energía en camino hacia una sociedad más sostenible. En línea con estos objetivos, el proyecto Cloud Computing for Smart Energy Management (CC-SEM) investiga la construcción de una plataforma integrada para el monitoreo inteligente, el control y la planificación del consumo, y la generación de energía en escenarios urbanos. CC-SEM incluye, en primer lugar, el diseño de un dispositivo IoT de bajo costo capaz de monitorear, operar y controlar electrodomésticos. Éste fue desarrollado con el objetivo de administrar automáticamente el consumo. En segundo lugar, un análisis de la idoneidad de la tecnología celular 5G NB-IoT con respecto al envío de mensajes de restauración y gestión para interrupciones del suministro en redes eléctricas inteligentes. En tercer lugar, un análisis de patrones de consumo doméstico para ayudar a predecir el mismo, utilizando mediciones de la literatura. En cuarto lugar, dentro del contexto de simulaciones de redes eléctricas, una metodología de pronóstico y evaluación de rendimiento para la generación de sistemas fotovoltaicos. CC-SEM presenta avances respecto del control de dispositivos domésticos, planificación/simulación de escenarios de generación de energía, y propone avances en la infraestructura de comunicación de los datos generados.
       
  • Design, construction, and evaluation of an energy harvesting prototype
           built with piezoelectric materials

    • Abstract: ABSTRACT The piezoelectricity allows the generation of electric power taking advantage of the movement of vehicles and pedestrians. Many prototypes have been made with piezoelectric generators, but at present, their commercialization and use have not been popularized due to their low power generation and energy losses. A design of an experimental prototype of an energy harvester with piezoelectric materials that reduces these losses and generates more energy thanks to the resonance with the beams is proposed in this article. An equilateral triangular tile is designed such it will not deform when a force acts on it. The tile has four-cantilever beams, and it is designed to resonate with the natural frequency of the piezoelectric material. This is coupled to the piezoelectric device. The vibration generated on the beam, by a mechanical load, is used to generate more energy when it resonates. The piezoelectric is a ceramic material and generates a nominal power of 75 mW before placing it on the beam, and 375 mW after being placed on the beam. However, the energy collection circuit has losses due to its own consumption, the transmission of energy to the storage system, and in the mechanical system.RESUMEN La piezoelectricidad permite la generación de energía eléctrica aprovechando el movimiento de vehículos y peatones. Se han realizado muchos prototipos con generadores piezoeléctricos, pero en la actualidad no se ha popularizado su comercialización y utilización. Se presenta en este artículo un diseño de un prototipo experimental de un cosechador de energía con materiales piezoeléctricos. Con el aprovechamiento de la energía peatonal se realiza el diseño de una baldosa para la implementación en espacios interiores. En esta propuesta se realizó el diseño previo de la baldosa que es de tipo triangular equilátera, para que no se deforme cuando actúe una fuerza sobre ella. Está conformado por un sistema de cuatro vigas en voladizo, diseñadas con el objetivo de que entren en resonancia y se pueda aumentar la energía obtenida del material piezoeléctrico. La vibración generada sobre la viga, por medio de una carga mecánica es aprovechada para generar energía. Los piezoeléctricos son de material cerámico. Antes de colocarlo en la viga, se generó 75 mW nominales, y con la viga generó una potencia de 375 mW. Sin embargo, el circuito de recolección de la energía tiene pérdidas debido a su propio consumo, a la transmisión de la energía al sistema de almacenamiento y en el sistema mecánico.
       
  • Calibration of NASGRO equation for mixed-mode loading using experimental
           and numerical data

    • Abstract: ABSTRACT A procedure to calibrate the NASGRO equation in a high yield-strength steel under mixed-mode loading (I + II) is presented. The calibration consists in obtaining the material parameters known as C, m, p and q. The procedure is based on experimental and numerical results. The experimental tests were used to characterize the material and obtain fatigue crack growth data. For the fatigue tests, tapered double cantilever beam (TDCB) specimens with different maximum load and load ratio values were used. Through the numerical analysis, the stress intensity factors, the crack growth direction and the crack path coordinates were calculated. The numerical analysis was performed using XFEM and the maximum energy release rate criterion. The calibrated model allows predicting the number of load cycles with an RMS value of less than 5%, compared with the experimental results.RESUMEN Se presenta un procedimiento para calibrar la ecuación de NASGRO en un acero de alta resistencia bajo modo mixto de carga (I + II). La calibración consiste en obtener los parámetros del material conocidos como C, m, p y q. El procedimiento se basa en resultados experimentales y numéricos. Los ensayos experimentales se utilizaron para caracterizar el material y obtener datos del crecimiento de fisuras por fatiga. Para las pruebas de fatiga se utilizaron probetas tipo doble viga en voladizo con sección variable (TDCB), con diferentes valores de carga máxima y razón de carga. Mediante el análisis numérico se calcularon los factores de intensidad de tensiones, la dirección de propagación y las coordenadas de la trayectoria de la fisura. El análisis numérico se realizó usando XFEM y el criterio de la máxima tasa de liberación de energía. El modelo calibrado permite predecir el número de ciclos de carga con un valor RMS inferior al 5%, en comparación con los resultados experimentales.
       
  • CFD simulation and validation of flow in small arteries to enable further
           drug delivery studies

    • Abstract: ABSTRACT Treatments based on nanocarriers such as nanoparticles have emerged as alternatives to overcome common limitations and side effects caused by traditional treatments against cancer and neurological diseases. The main attribute of nanoparticles stems from the fact that they can transport pharmacological agents in a guided manner. This allows drugs to selectively target diseased rather than healthy tissues. This work was aimed at modeling and simulating fluid flow inside small arteries and experimentally validating the model through quantitative measurements of pressure and flow rates. The validity of the model was evaluated in the light of different indexes of percentage agreement between simulated and measured values. The model was previously verified via mesh convergence analysis and qualitative observations of velocity profile. Our findings provide a robust basis for studying nanoparticle transport in arteries as the developed platform enables their releasing and remote manipulation both in silico and in vitro.RESUMEN Los tratamientos basados en nanoportadores como las nanopartículas han surgido como alternativa para superar las limitaciones y los efectos secundarios de los tratamientos tradicionales contra el cáncer y las enfermedades neurológicas. La principal ventaja de las nanopartículas radica en el hecho de que pueden transportar agentes farmacológicos de forma guiada, de modo que las drogas alcanzan preferiblemente tejidos afectados en vez de tejidos sanos. Este trabajo se enfocó en el modelado y simulación del flujo de fluido en arterias pequeñas y la validación experimental del modelo a través de medidas cuantitativas de presión y tasas de flujo, a la luz de diferentes índices de porcentaje de ajuste entre los valores simulados y medidos. El modelo fue previamente verificado mediante el análisis de convergencia de la malla y las observaciones cualitativas del perfil de velocidad. Nuestros hallazgos sirven como base sólida para el estudio del transporte de nanopartículas dentro de las arterias, ya que la plataforma desarrollada puede ser empleada para su liberación y manipulación remota tanto in silico como in vitro.
       
  • Design of passive heat sinks to power semiconductor with the cesaro curve

    • Abstract: ABSTRACT In the design of electronic circuits, stands out the power stage, which is responsible of increasing the signal characteristics, as current and voltage, for an appropriate performance of the device to fabricate. However, this stage is composed of elements like transistors, which may have a low performance, due to the undesired temperature increase, as a result of reaching the desired power. To mitigate the loss of power and with it, the temperature rise, the management of heat sink is proposed, in order to keep the work of the power stage at a stable level and avoid thermal fractures within the circuit. This manuscript presents the obtained results of the thermal analysis in finite elements of the heat sink with fins in the form of a Cesaro curve, for power semiconductors, which evidence the increase in the heat flow, with respect to the commercial ones and so, facilitate the heat evacuation for conditioning the voltage and/or current.RESUMEN En el diseño de circuitos electrónicos se destaca la etapa de potencia, la cual se encarga de aumentar las características de una señal, como la corriente y el voltaje, para un apropiado funcionamiento del equipo a desarrollar. Sin embargo, esta etapa está conformada por elementos como los transistores, los cuales pueden presentar un bajo rendimiento, debido al aumento indeseado de temperatura, como consecuencia de alcanzar la potencia deseada. Para mitigar la perdida de potencia y con ello, la elevación de temperatura, se propone el manejo de disipadores de calor, con el propósito de mantener el trabajo de la etapa de potencia en un nivel estable y evitar fracturas térmicas dentro del circuito. En el siguiente trabajo, se exponen los resultados obtenidos del análisis térmico en elementos finitos del disipador de calor con aletas en forma de curva de Cesaro, para semiconductores de potencia, lo cual evidenció el aumento en el flujo de calor, respecto a los comerciales y de este modo, facilitar la evacuación de calor para el acondicionamiento de la tensión y/o corriente.
       
  • Recirculating aquaculture system with three phase fluidized bed reactor:
           Carbon and nitrogen removal

    • Abstract: ABSTRACT The core objective of the study was to evaluate the organic matter and nitrogen removal efficiency in a recirculating aquaculture system for the intensive laboratory-bred rainbow trout. The treatment system consisted of an upflow reactor (UR), a pre-filtration unit, a three-phase airlift fluidized bed reactor (AFBR), a granular unit for the UR and the AFBR effluents filtration, and an ultraviolet (UV) unit for the final effluent disinfection. A plastic material was used as support media in the UR, and granular zeolite with an effective size of 1.30 mm in an 80 g/L constant concentration was used as a carrier for the AFBR. Average removal efficiencies of biochemical oxygen demand (BOD) chemical oxygen demand (COD), ammonium, nitrite, nitrate, and total nitrogen were 94.4, 91.7, 52.5, 13.4, 1.3 and 6.0% respectively. In the rainbow trout rearing tanks, there was a water volume of 125 L and water exchange rates of 125 and 250 L/h, there were no registered mortalities; the calculated daily weight gains were 1.55 and 1.51 g/day and the final stocking densities were respectively 20.87 and 20.58 kg/m3. The results suggested that the system had the capability to develop a nitrification process for maintaining water quality characteristics within the recommended values for rainbow trout farming, but total nitrogen was not effectively removed due to the weak denitrification process, since there were modest values of nitrite and overall nitrogen removal.RESUMEN El estudio evaluó la eficiencia de eliminación de nitrógeno y materia orgánica en un sistema intensivo de recirculación acuícola de trucha arcoiris en laboratorio, que contó con un reactor de flujo ascendente con medio plástico (RFAMP), un prefiltro, un reactor de lecho fluidizado trifásico (RLFT), un lecho granular para filtrar conjuntamente los efluentes de RFAMP y RLFT y una unidad ultravioleta (UV) para la desinfección final del efluente. Se usó material plástico como medio soporte en el RFAMP y zeolita granular con tamaño efectivo de 1,30 mm en una concentración constante de 80 g/L como medio soporte en el RLFT. Las eficiencias medias de eliminación de demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), amonio, nitrito, nitrato y nitrógeno total fueron 94,4, 91,7, 52,5, 13,4, 1,3 y 6,0% respectivamente. En los tanques de cultivo de trucha, que tuvieron un volumen de 125 L y tasas de recambio de 125 y 250 L/h, no registraron mortalidades; las ganancias de peso diarias fueron 1,55 y 1,51 g/día y las densidades finales de cultivo fueron 20,87 y 20,58 kg/m3. Los resultados sugieren que el sistema desarrolló el proceso de nitrificación hasta valores de calidad del agua recomendados para trucha arcoíris, el nitrógeno total no se eliminó efectivamente debido al débil proceso de desnitrificación, pues se registraron bajos valores para nitritos y para la remoción global del nitrógeno.
       
  • Artificial wetland planted with Limonium Perezzi, for the treatment of
           wastewater from tanning

    • Abstract: ABSTRACT The wastewater from leather tanning contains different types of pollutants depending on the internal process that is carried out, in particular, the riparian and tanning stages provide the greatest contaminant load within the process, in terms of organic matter, grease and oils, chlorides, chromium, sulfides among other substances. This study analyzed the efficiency of a biological treatment system, consisting of artificial wetlands of horizontal subsurface flow, in order to evaluate the removal of salinity and organic load present in the water produced during the process of soaking leathers. Two prototypes were tested, one planted with Limonium perezzi and the other unplanted as a control parameter, the wetlands were operated for 32 days. The results show that the planted wetland removes 49.2% of the initial chloride present (44,414.8 mgCl-/L) in the water and 86.2% of the total organic carbon (755.9 mgC/L). It was demonstrated that artificial wetlands are still a viable and efficient alternative in terms of organic load removal, on the other hand, the selected plant showed a very good performance in the treatment of wastewater because of its high tolerance to high concentrations of salt dissolved in the water, reaching perspiration of sodium chloride crystals through the leaves and stem.RESUMEN Las aguas residuales provenientes del curtido de cueros contienen distintos tipos de contaminantes dependiendo del proceso interno que se realice, en especial, las etapas de ribera y curtido aportan la mayor carga contaminante dentro del proceso, en términos de materia orgánica, grasa y aceites, cloruros, cromo, sulfuros entre otras sustancias. En este estudio se analizó la eficiencia de un sistema de tratamiento biológico, conformado por humedales artificiales de flujo horizontal subsuperficial, a fin de evaluar la remoción de salinidad y carga orgánica presentes en las aguas producidas durante el proceso de remojo de cueros. Dos prototipos se pusieron a prueba, uno plantado con Limonium perezzi y el otro sin plantar como parámetro de control, los humedales fueron operados por 32 días. Los resultados demuestran que el humedal plantado remueve el 49,2 % del cloruro inicial presente (44.414.8 mgCl-/L) en el agua y el 86,2 % del carbono orgánico total (755,9 mgC/L). Se logró demostrar que los humedales artificiales siguen siendo una alternativa viable y eficiente en términos de remoción de carga orgánica, por otra parte, la planta seleccionada demostró un muy buen desempeño en el tratamiento del agua residual a causa a su alta tolerancia a elevadas concentraciones de sal disuelta en el agua, llegando a presentar transpiración de cristales de cloruros de sodio a través de las hojas y tallo.
       
 
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