energía – El blog de Víctor Yepes

Nomograma para el cálculo energético en la molienda de minerales según la Ley de Bond

En un artículo previo, explicamos cómo se utiliza la Ley de Bond para calcular la energía necesaria para fragmentar un material, incluso proporcionando un ejemplo resuelto en el que se aplicó a un equipo de trituración para obtener un tamaño de áridos. En este artículo, presentaremos un nuevo nomograma que ha sido creado en colaboración con los profesores Pedro Martínez-Pagán, Daniel Boulet y Jaime E. Sepúlveda, específicamente diseñado para tamaños de partícula más pequeños. Este nomograma se emplea para una molienda con un molino de bolas para un tipo de mineral en particular. Esperamos que tanto el nomograma como el ejercicio resuelto sean de su interés.

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Referencias:

FUEYO, L. (1999). Equipos de trituración, molienda y clasificación: tecnología, diseño y aplicación. Editorial Rocas y Minerales. 1ª edición. Fueyo Editores. Madrid, 371 pp. ISBN: 84-923128-2-3.

LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 pp.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia.

MARTÍNEZ PAGÁN, P. (2021). Ejercicios resueltos de plantas de tratamiento de recursos minerales. Universidad Politécnica de Cartagena, CRAI Biblioteca, Cartagena, 211 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Optimización de inteligencia de enjambre híbrida para puentes mixtos de bajo consumo energético

Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. Se trata del empleo de métodos de optimización de inteligencia de enjambre híbrida para puentes mixtos de acero-hormigón de bajo consumo energético. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización de puentes es un reto matemático importante, dado el enorme número de configuraciones posibles del problema. Se ha considerado en este trabajo la energía incorporada y el coste como funciones objetivo en la optimización de vigas cajón mixtas de hormigón y acero. Se eligió la energía incorporada como criterio de sostenibilidad para comparar los resultados con el coste. Para lograr este objetivo se empleó el algoritmo TAMO de búsqueda global estocástica, la búsqueda de cuco (CS) de inteligencia de enjambre y los algoritmos seno-coseno (SCA). Para que las técnicas SCA y SC pudieran resolver el problema de optimización de puentes con variables discretas, se utilizó la discretización aplicando la técnica de agrupación k-means. Como resultado, se observó que SC producía valores objetivos de la función de energía comparables a TAMO, al tiempo que reducía el tiempo de cálculo en un 25,79%. Además, la optimización de costes y de la energía revelaron que cada euro ahorrado usando metodologías metaheurísticas disminuía el consumo de energía para este problema de optimización en 0,584 kW-h. Asimismo, al incluir celdas en las partes superior e inferior de las almas, se mejoró el comportamiento de la sección, así como los resultados de optimización para los dos objetivos de optimización. Este estudio concluye que el diseño de doble acción compuesta sobre apoyos hace innecesarios los rigidizadores longitudinales continuos en el ala inferior.

Abstract:

Bridge optimization is a significant challenge, given the huge number of possible configurations of the problem. Embodied energy and cost were taken as objective functions for a box-girder steel–concrete optimization problem, considering both as single-objective. Embodied energy was chosen as a sustainable criterion to compare the results with cost. The stochastic global search TAMO algorithm, the swarm intelligence cuckoo search (CS), and sine cosine algorithms (SCA) were used to achieve this goal. To allow the SCA and SC techniques to solve the discrete bridge optimization problem, the discretization technique applying the k-means clustering technique was used. As a result, SC was found to produce objective energy function values comparable to TAMO while reducing the computation time by 25.79%. In addition, the cost optimization and embodied energy analysis revealed that each euro saved using metaheuristic methodologies decreased the energy consumption for this optimization problem by 0.584 kW·h. Additionally, by including cells in the upper and lower parts of the webs, the behavior of the section was improved, as were the optimization outcomes for the two optimization objectives. This study concludes that double composite action design on supports makes the continuous longitudinal stiffeners in the bottom flange unnecessary.

Keywords:

Swarm intelligence; steel–concrete composite structures; bridges; optimization; metaheuristics; sustainability.

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2023). Hybrid swarm intelligence optimization methods for low-embodied energy steel-concrete composite bridges. Mathematics, 11(1):140. DOI: 10.3390/math11010140

Dejo a continuación el artículo, que se puede descargar y compartir, pues está publicado en abierto.

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Energía necesaria para la fragmentación del material: Ley de Bond (1951)

En el procesamiento de áridos se necesita energía para reducir el tamaño del material que entra en una máquina de fragmentación. El cálculo de la energía necesaria resulta de interés, no solo desde el punto de vista teórico, sino también para estimar el coste de la energía en la operación.

Cuando se aplica una fuerza para romper una partícula, al principio se deforma y se almacena la energía aplicada en el material. Pero si la fuerza sobrepasa el límite de resistencia, la partícula se rompe consumiendo cierta energía, transformándose la sobrante en calor, ruido y energía cinética, entre otras.

Existen distintas leyes que proporcionan la energía necesaria para una operación de fragmentación determinada. La Ley de Rittinger es adecuada para partículas finas, de diámetro inferior a 74 μm, y dice que el área de la nueva superficie producida por el nuevo machaqueo o molienda es directamente proporcional al trabajo útil consumido. La Ley de Kick se aplica a partículas gruesas, de diámetro mayor a 10 cm, y dice que el trabajo requerido es directamente proporcional a la reducción de volumen entre las partículas antes y después de la operación de fragmentación o molienda.

Sin embargo, F. C. Bond (1951), a partir del estudio de un gran número de instalaciones, dedujo su Ley de Bond, que dice que el trabajo consumido es proporcional a la nueva longitud de fisura producida por la rotura de las partículas, pues una vez creada la fisura, la roca parte. Esta ley cubre el vacío de las otras dos leyes anteriores, para diámetros superiores a 74 μm y menores a 10 cm.

Para que se pueda entender esta ley y otros conceptos como el de razón de reducción o el de curva granulométrica, os dejo un problema resuelto y varios vídeos que espero os sea de interés.

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Referencias:

LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 pp.

MARTÍNEZ PAGÁN, P. (2021). Ejercicios resueltos de plantas de tratamiento de recursos minerales. Universidad Politécnica de Cartagena, CRAI Biblioteca, Cartagena, 211 pp.

TIKTIN, J. (1994). Procesamiento de áridos: instalaciones y puesta en obra de hormigón. Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 360 pp. ISBN: 84-7493-205-X.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Análisis de ciclo de vida de aislamientos reciclados en edificación para diferentes condiciones climáticas en España

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Resources, Conservation and Recycling, revista de alto impacto indexada en el JCR. En este caso se ha realizado un análisis del ciclo de vida de los aislamientos utilizados en edificación reciclados y no reciclados, atendiendo a las diferentes condiciones climáticas de España. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El sector de la construcción representa más del 40% del consumo de energía en la Unión Europea, así como una de las causas significativas de impacto ambiental. Por ello, este sector necesita políticas que promuevan la eficiencia energética de los edificios. Uno de los componentes estructurales más importantes para alcanzar esta eficiencia energética son las fachadas. En este trabajo se elige la fachada ventilada por su mejor comportamiento de aislamiento térmico. El impacto ambiental de la fachada ventilada depende del material de aislamiento térmico. El objetivo de este trabajo es evaluar el impacto ambiental de diferentes fachadas ventiladas en función de su comportamiento de aislamiento térmico. Para ello, se aplica la evaluación del ciclo de vida en fachadas ventiladas con diferentes materiales en distintas ubicaciones. Los materiales estudiados son la lana de roca, el corcho natural y el corcho reciclado, y las ubicaciones consideradas son las diferentes zonas climáticas de España. Para llegar a una evaluación ambiental completa se considera todo el ciclo de vida de las fachadas ventiladas, desde la cuna hasta la tumba. Para ello se utiliza el software Open LCA con la base de datos Ecoinvent con el método ReCiPe. Los resultados muestran que el corcho reciclado es el aislamiento térmico con menor impacto ambiental, independientemente de la ubicación.

Abstract:

The construction sector represents more than 40% of energy consumption in the European Union, as well as one of the biggest causes of environmental impact. Therefore, this sector needs a great deal of intervention through policies that promote the energetic efficiency of the buildings. One of the most important structural components to reach this energetic efficiency is the facades. In this work, the facade ventilated is chosen due to its better thermal insulation behaviour. The environmental impact of the facade ventilated depends on the thermal insulation material. The goal of this paper is to evaluate the environmental impact of different ventilated facades according to their thermal insulation behavior. For this purpose, the life-cycle assessment is applied in ventilated facades with different materials in different locations. The materials studied are the rock wool, the natural cork and the recycled cork, and the locations considered are the different climatic areas of Spain. To reach a complete environmental assessment all the ventilated facades life-cycle is considered, from cradle to grave. To do this we use the Open LCA software with the Ecoinvent database with the ReCiPe method. The results show that the recycled cork is the thermal insulation with the lowest environmental impact regardless the location.

Keywords:

Life cycle assessment; ReCiPe; Facade ventilated; Thermal insulation; Sustainability

Reference:

ATA-ALI, N.; PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V. (2021). Recycled versus non-recycled insulation alternatives LCA analysis for different climatic conditions in Spain. Resources, Conservation and Recycling, 175, 105838. DOI:10.1016/j.resconrec.2021.105838

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Revisión de los métodos de optimización aplicados al consumo de energía en ferrocarriles

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte donde se analizan 52 artículos científicos relacionados con el consumo energético en ferrocarriles. Se analizan dos áreas principales: las técnicas de modelización utilizadas para simular el movimiento de los trenes y el consumo de energía, y los métodos de optimización utilizados para conseguir una circulación ferroviaria más eficiente. Se describen brevemente los métodos más utilizados en cada caso y se analizan las principales tendencias encontradas. Además, se ha realizado un estudio estadístico para reconocer las relaciones entre los métodos y las variables de optimización. Se encontró que los modelos determinísticos basados en la ecuación de Davis son, con diferencia (85% de los trabajos revisados), los más comunes en términos de modelización. En cuanto a la optimización, los métodos meta-heurísticos son la opción preferida (57,8%), en particular los Algoritmos Genéticos. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar las infraestructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 3 de mayo de 2019 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/a/1YjHX3QCo9Uqa3

Abstract:

Railways are a rather efficient transport mean, and yet there is increasing interest in reducing their energy consumption and making them more sustainable in the current context of climate change. Many studies try to model, analyse and optimise the energy consumed by railways, and there is a wide diversity of methods, techniques and approaches regarding how to formulate and solve this problem. This paper aims to provide insight into this topic by reviewing up to 52 papers related to railways energy consumption. Two main areas are analysed: modelling techniques used to simulate train(s) movement and energy consumption, and optimisation methods used to achieve more efficient train circulations in railway networks. The most used methods in each case are briefly described and the main trends found are analysed. Furthermore, a statistical study has been carried out to recognise relationships between methods and optimisation variables. It was found that deterministic models based on the Davis equation are by far (85% of the papers reviewed) the most common in terms of modelling. As for optimisation, meta-heuristic methods are the preferred choice (57.8%), particularly Genetic Algorithms.

Keywords:

Railways

Energy efficiency

Modelling

Optimisation

Meta-heuristics

Reference:

MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA-SANCHÍS, I.; INSA-FRANCO, R.; YEPES, V. (2019). A review of modelling and optimisation methods applied to railways energy consumption. Journal of Cleaner Production, 222:153-162. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.03.037

Método acelerado de optimización de puentes en cajón

Acaban de publicarnos en Engineering Structures, revista de ELSEVIER indexada en el primer cuartil del JCR, un artículo en el que hemos propuesto un novedoso método de optimización que acelera los cálculo al emplear Kriging como metamodelo en los cálculos intermedios de las iteraciones de un proceso de optimización heurística. Se ha aplicado en la optimización de la energía requerida para la construcción de un puente en cajón de hormigón pretensado, pero la metodología es aplicable al cálculo de cualquier estructura. Este artículo forma parte del proyecto de investigación DIMALIFE. Como se ha publicado en abierto, os puedo pasar el artículo completo, que os podéis descargar también en la propia revista.

ABSTRACT:

Structural optimization is normally carried out by means of conventional heuristic optimization due to the complexity of the structural problems. However, the conventional heuristic optimization still consumes a large amount of time. The use of metamodels helps to reduce the computational cost of the optimization and, along these lines, kriging-based heuristic optimization is presented as an alternative to carry out an accelerated optimization of complex problems. In this work, conventional heuristic optimization and kriging-based heuristic optimization will be applied to reach the optimal solution of a continuous box-girder pedestrian bridge of three spans with a low embodied energy. For this purpose, different penalizations and different initial sample sizes will be studied and compared. This work shows that kriging-based heuristic optimization provides results close to those of conventional heuristic optimization using less time. For the sample size of 50, the best solution differs about 2.54% compared to the conventional heuristic optimization, and reduces the computational cost by 99.06%. Therefore, the use of a kriging model in structural design problems offers a new means of solving certain structural problems that require a very high computational cost and reduces the difficulty of other problems.

KEYWORDS: Low-embodied energy; Post-tensioned concrete; Box-girder bridge; Structural optimization; Metamodel; Kriging

REFERENCE:

PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2019). Accelerated optimization method for low-embodied energy concrete box-girder bridge design. Engineering Structures, 179:556-565. DOI:10.1016/j.engstruct.2018.11.015

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Optimización del diseño sostenible de puentes bajo incertidumbre

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer decil, Journal of Cleaner Production, un artículo donde se propone una nueva metodología en la toma de decisiones del diseño óptimo de un puente bajo criterios de sostenibilidad y bajo incertidumbre. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Abstract:

Today, bridge design seeks not only to minimize cost but also to minimize adverse environmental and social impacts. This multi-criteria decision-making problem is subject to variability of stakeholders’ opinions regarding the importance of criteria for sustainability. As a result, this paper proposes a method for designing and selecting optimally sustainable bridges under the uncertainty of criteria comparison. A Pareto set of solutions is obtained using a metamodel-assisted multi-objective optimization. A new decision-making technique introduces the uncertainty of the decision-makers preference through triangular distributions and thereby ranks the sustainable bridge designs. The method is illustrated by a case study of a three-span post-tensioned concrete box-girder bridge designed according to the embodied energy, overall safety, and corrosion initiation time. In this case, 211 efficient solutions are reduced to two preferred solutions with a probability of being selected of 81.6% and 18.4%. In addition, a sensitivity analysis validates the influence of the uncertainty regarding the decision-making. The approach proposed allows actors involved in the bridge design and decision-making to determine the best sustainable design by finding the probability of a given design being chosen.

Keywords:

Sustainable criteria
Uncertainty
Decision-making
Multi-objective optimization
Energy efficiency

Reference:

GARCÍA-SEGURA, T.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty. Journal of Cleaner Production, 202:904-915. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.177

Optimización de la energía necesaria para construir puentes losa postesados

Acaban de publicarnos en la revista Technologies un artículo que aplica el algoritmo de recocido simulado a la optimización del coste y de la energía empleada en un puente losa postesado con tablero aligerado. Se resuelve un problema complejo de optimización de 33 variables de diseño. Como resultados interesantes cabe señalar que, en ocasiones, las soluciones de menor coste no son necesariamente las que menos energía consumen. El artículo se ha publicado en abierto y se puede descargar en la web. Aquí tenéis la referencia y el artículo completo.

Referencia:

ALCALÁ, J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Embodied energy optimization of prestressed concrete slab bridge decks. Technologies, 6(2):43. doi:10.3390/technologies6020043 (link)

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Construcción de un parque eólico

El parque eólico es una central eléctrica donde la producción de la energía eléctrica se consigue a partir de la fuerza del viento, mediante aerogeneradores que aprovechan las corrientes de aire. Para producir electricidad con una central eólica es necesario que el viento sople a una velocidad de entre 3 y 25 m/s. Casi todos los aerogeneradores que producen electricidad constan de un rotor con palas o aspas que giran alrededor de un eje horizontal. Este está unido a un conjunto de transmisión mecánica o multiplicadora y, finalmente, a un generador eléctrico, ubicados ambos en la barquilla suspendida en lo alto de la torre.

La energía eólica es de las más limpias, renovables y abundantes, ya que los aerogeneradores eléctricos no producen emisiones contaminantes (atmosféricas, residuos, vertidos líquidos…) y no contribuyen, por lo tanto, al efecto invernadero ni a la acidificación. No obstante, también existen factores negativos, como el impacto visual, el impacto sobre las aves, modificación de la fauna y flora, el efecto sonoro, el impacto por erosión o las interferencias electromagnéticas.

Un proyecto de un parque eólico se puede dividir en fase de ejecución, fase de explotación y fase de clausura. La vida media de un parque eólico es de unos 20 años, y su desmantelamiento no implica grandes dificultades. En la fase de ejecución o construcción se pueden diferenciar los siguientes procesos: construcción de accesos, construcción de plataformas de montaje, construcción de edificaciones anejas, instalación eléctrica y montaje de los aerogeneradores. Os dejo varios vídeos donde se describe cómo se construye un aerogenerador.

Endesa nos facilita un vídeo donde se puede ver el funcionamiento de un aerogenerador.

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