Doctorado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua
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El posgrado hace énfasis en una sólida formación analítica, lógica y matemática de sus estudiantes, para proponer soluciones formales a problemas del campo mediante la aplicación de métodos estadísticos, modelos matemáticos e inteligencia artificial.
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ItemModeling and optimization of a greenhouse-type solar dryer system(Universidad Autónoma Chapingo, 2022-11-18)Solar drying in greenhouses is an economical and safe alternative for drying, it allows to increase the shelf life of products in an innocuous way. The objectives of the thesis were 1) to model the drying kinetics of tomato in a greenhouse-type solar dryer; 2) to model and control the internal conditions in a greenhouse-type solar dryer; 3) to evaluate design alternatives to improve the drying process. The greenhouse-type solar dryer is located at the Universidad Autonoma Chapingo (Mexico) and has a 6- mm-thick parabolic-shaped polycarbonate cover; 15 cm thick concrete floor; two exhaust fans for the air and four air inlets; with an approximate volume of 211 m3 . Thirty-five thin-layer models were tested for drying tomato slices. The innovation at this stage was to analyze the models in terms of their structure, and number of parameters and evaluate them with data from another experiment. The best model was the Page VI model with an RMSE of 0.06 and an R2 of 0.993. To improve drying, a controller based on "Model Predictive Control" for the greenhouse was modeled and designed. The main innovation was the use of system identification with the N4SID algorithm, obtaining a model with product temperature as state and control based on product temperature and not air temperature. Finally, a literature review on the modeling of greenhouse-type solar dryers using CFD was carried out and a computational model (CFD) for the dryer was developed. The model was validated, and two designs were tested to recirculate the air and improve the temperature distribution inside the greenhouse. Both systems showed higher temperatures and a more uniform velocity throughout the volume.
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ItemAnálisis de una propuesta de aforador de garganta larga modificado para flujo con sedimentos(Universidad Autónoma Chapingo, 2022-11)México es un país que cuenta con pocos dispositivos de medición de caudales en cuencas pequeñas, además este tipo de cuencas tienen pocas mediciones de caudales cuando ocurre una tormenta. Sin embargo, es muy importante prestar atención a este tipo de mediciones para el uso eficiente de los recursos hídricos. Este trabajo aborda como posible solución, la construcción de una estructura basada en los principios de los aforadores de garganta larga para la gestión de las cuencas pequeñas. A esta estructura se ha añadido un aforador supercrítico al final de la garganta donde se instalará un pozo de observación. Este segundo sitio servirá para seguir tomando lecturas cuando el primer pozo se obstruya a causa de los sedimentos. Por lo tanto, en este trabajo se desarrolló un estudio hidráulico en forma bidimensional por medio de la Dinámica de Fluidos por Computadora (CFD) para tres canales con sección transversal rectangular, triangular y trapezoidal, con el fin de encontrar el mejor comportamiento en el canal supercrítico donde la sección rectangular fue la mejor para este canal rectangular, además de su fácil fabricación o construcción. A partir de este resultado, se realizó un nuevo análisis en una sección transversal rectangular con diferentes pendientes en el aforador supercrítico, para diferentes sitios de medición, se realizó un análisis CFD para coordenadas, unidimensional, bidimensional y tridimensional utilizando el software HEC-RAS®, Iber® y ANSYS® CFX®. Así, los resultados mostraron que la mejor ubicación del pozo de observación en el aforador supercrítico se situará 2/5 partes utilizando una pendiente del 10%, obteniendo un R2 de 0,999 y un error máximo del 5%.
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ItemSystematic literature review whit bibliometric analysis for the establishment of a baseline for alternative materials(Universidad Autónoma Chapingo, 2022-11)The contamination of agricultural soils due to the excessive use of synthetic plastics in the food production and supply chain has caused the translocation of carcinogenic compounds and endocrine disruptors contained in their formulations to water bodies and farms, getting onto the food chain, generating diseases, and putting human health at risk. This research established the state of knowledge by using the methodology of systematic literature review, enabling the establishment of hypotheses leading to focused, objective, and unbiased conclusions. It was found that there is ambiguity in the scientific literature regarding the terms that refer to alternative materials, so based on the results, appropriate definitions were proposed. The materials of most scientific interest were plastic films, mulching films, and controlled-release materials, which are still emerging topics in terms of quantity and collaboration between countries worldwide. Although some alternatives have been suggested, only a few ensure total and safe degradability on the soil environment. One of the gaps is the lack of methodology on the identification, quantification, and interactions of plastic particles under field conditions with heavy metals, phthalate esters, and organic matter contained in the soil. Agave Salmiana fibers were obtained, treated with alkali, and spun into yarns and a piece of woven textile fabric. These three products were impregnated with beeswax using a vacuum bag; to compare them with their synthetic counterparts, the diameters and weight loss of the materials were measured. The highest weight loss in all specimens occurred in the wax-impregnated fibers, yarn, and nets in the range of 12-38% over a period of 30 days, with significant differences with the synthetic products. These natural fiber yarns and netting are presented as a proposal to reduce the excessive use of synthetic plastics in agriculture; however, mechanical characterization is necessary for them to be considered a functional alternative.
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ItemEvaluación de la subsidencia a partir de un modelo de optimización para la gestión del agua subterránea.(Universidad Autónoma Chapingo, 2022-11)La sobreexplotación del agua subterránea ocasiona un agotamiento gradual del almacenamiento en los acuíferos, por lo que los modelos de gestión del agua subterránea son una buena herramienta para conocer la respuesta del sistema a las alternativas planteadas y apoyar la toma de decisiones. En esta investigación se evalúa la subsidencia a partir de una propuesta metodológica que integra un módulo de cálculo de los coeficientes de respuesta; un módulo de optimización y cálculo de los abatimientos del acuífero; y un módulo para evaluar el efecto transitorio en el acuitardo y el cálculo del hundimiento. Inicialmente, se maximizó el caudal de extracción de los pozos de bombeo y se determinaron abatimientos menores o iguales a 15 metros en los distintos puntos de control. Este abatimiento se consideró como perturbación inicial en la interfase acuífero-acuitardo para realizar un análisis transitorio y determinar el efecto en el almacenamiento del acuitardo. Esta propuesta analiza un tiempo adimensional y aplica una solución analítica para determinar el abatimiento a diferentes profundidades del acuitardo. Se determinó que el hundimiento es del orden de 7 centímetros en los 3 años de análisis. Finalmente, se analizaron escenarios para evaluar la subsidencia en un sistema multi-acuífero que permitan plantear esquemas de manejo con el apoyo de un modelo de optimización para la gestión del agua subterránea; los escenarios consideraron esquemas de bombeo integrados con información de los volúmenes de extracción del acuífero Chalco-Amecameca. Para el escenario óptimo, se determinó un esquema de bombeo que restringe el abatimiento a 10 metros y maximiza el bombeo a 2.6 millones de metros cúbicos por año en promedio, ocasionando hundimientos en el acuitardo del orden 16.6 centímetros en el horizonte de planeación.
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ItemModelación matemática de un secador solar tipo invernadero(Universidad Autónoma Chapingo, 2020-11-30)En México se desperdician, cada año, alrededor de 10 mil toneladas de alimentos (verduras y frutas), equivalente al 37% de la producción de acuerdo con estudios de la FAO. El deshidratado puede contribuir a reducir este problema ya que permite aumentar la vida postcosecha de los productos agrícolas. El objetivo de esta investigación fue generar y analizar modelos matemáticos del comportamiento de un secador solar tipo invernadero. Se llevaron a cabo experimentos de secado de tomate (Solanum lycopersicum L) y guayaba (Psidium guajava) que se utilizaron para evaluar modelos de capa fina; se generaron modelos ARX y ARMAX para predecir la temperatura dentro del secador y se desarrolló un modelo dinámico mecanicista que predice el comportamiento del secador solar durante el proceso de secado de frutos de tomate. El sistema de secado solar parabólico tipo invernadero permite condiciones adecuadas para el secado de rodajas de tomate y guayaba, ya que reduce el contenido de humedad al 20% en base húmeda en tomate y al 8% en el caso de guayaba. Con un tiempo de secado de 8 horas para ambos productos. El mejor modelo fue el Henderson y Pabis Modificado para ambos productos, con una eficiencia de modelado de 0.995 y 0.997, respectivamente. Las variables de estado predichas por el modelo mecanicista coincidieron razonablemente con los datos experimentales medidos, ya que el valor del error cuadrático medio de la predicción fue 9.02% para la temperatura de la cubierta, 6.26% para la temperatura del aire, 6.13% para la temperatura del piso y 6.00% para el contenido de humedad de tomate. Dado que los modelos dinámicos ARX y ARMAX mostraron un ajuste mayor del 85% con los datos del conjunto de evaluación; son una excelente opción para diseñar sistemas de control para el ambiente del sistema secador solar tipo invernadero.