Desalinización de agua por medios eólicos

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(1)DESALINIZACIÓN DE AGUA POR MEDIOS EÓLICOS. TRABAJO DE GR ADO. MATÍAS GUZMÁN GAITÁN. ASESOR: JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI Ph.D.. FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MEC ÁNICA BOGOTA DICIEMBRE DE 2008.

(2) TABL A DE CONTENIDOS. INDICE DE TABLAS ..................................................................................................... 5 INDICE DE PLANOS ..................................................................................................... 6 INDICE DE SIMBOLOS ..............................................¡Error! Marcador no definido. INTRODUCCION ............................................................................................................ 7 1. UBICACIÓN GEOGRAFICA ................................................................................ 8 1.1 LOS VIENTOS ................................................................................................ 9 2. PARAMETROS DE DISEÑO ............................................................................. 12 2.1 POTENCIA REQUERIDA............................................................................ 12 2.2 DIÁMETRO DEL ROTOR. .......................................................................... 14 2.3 RELACIÓN DE VELOCIDAD PERIFÉRICA TSR. .................................. 14 2.4 SELECCIÓN Y DISEÑO DE L AS ASPAS ................................................ 14 2.5 SOLIDEZ Y NUMERO DE PALAS. ........................................................... 16 2.6 VELOCID AD ANGULAR MAXIMA............................................................. 17 2.7 RENDIMIENTO AERODIN ÁMICO............................................................. 17 2.8 RESISTENCIA AERODIN ÁMIC A DE L A PAL A. ..................................... 18 2.9 MANUFACTURA .......................................................................................... 19 3. DISEÑO DE LA TORRE ..................................................................................... 20 3.1 MANUFACTURA .......................................................................................... 20 3.1.1 PINTURA ANTICORROSIVA ................................................................. 20 3.1.1.1 Descripción........................................................................................ 20 3.1.1.2 Usos .................................................................................................... 20 3.1.1.3 Preparación de la superficie ........................................................... 20 3.1.1.4 Aplicación........................................................................................... 21 3.2 FUNDACION ................................................................................................. 21 3.3 MONTAJE ...................................................................................................... 24 MEC ANISMO DE ENSAMBLE................................................................... 25 3.4 3.5 AN ÁLISIS ESTRUCTURAL ........................................................................ 26 4. DISEÑO DE EJ E Y SISTEMA DE PROTECCION ......................................... 31 4.1 EJE.................................................................................................................. 31 4.2 TAPA DE PROTECCION ....................................................................... 33 4.3 RESORTES ................................................................................................... 33 5. INGENIERIA DETALLADA ................................................................................ 35 6. COSTOS ................................................................................................................ 68 7. CONCLUSIONES................................................................................................. 70 8. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 71 9. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 72 ANEXOS......................................................................................................................... 73 ANEXO A ................................................................................................................... 73 ANEXO B ................................................................................................................... 74 ANEXO C ................................................................................................................... 75. 2.

(3) ANEXO D ................................................................................................................... 76 ANEXO E ................................................................................................................... 77 ANEXO F ................................................................................................................... 78 ANEXO G................................................................................................................... 79 ANEXO H ................................................................................................................... 80 ANEXO H ................................................................................................................... 81 ANEXO I..................................................................................................................... 82 ANEXO J .................................................................................................................... 83 ANEXO K ................................................................................................................... 84. 3.

(4) INDICE DE FIGURAS Figura 1Municipio de la Uribia Departamento de la Guajira ....................................8 Figura 2 Localización geográfica ................................................................................9 Figura 3 Velocidad del viento a través del año en cada hora del día ..................10 Figura 4 Rosa de los vientos Aeropuerto Almirante Padilla ..................................11 Figura 5 Diagrama para le determinación de potencia en aerogeneradores rapidos ............................................................................................................................13 Figura 6 Perfil aerodinámico tipo NACA 0012 ........................................................15 Figura 7 Características del perfil tipo NACA 0012.................................................15 Figura 8 Solidez y numero de palas en funcion del TSR.......................................16 Figura 9 Relacion de rendimiento aerodinamico, TSR y numero de palas.........17 Figura 10 Relacion de rendimiento aerodinamico, TSR y numero de palas, D/L .........................................................................................................................................18 Figura 11 Modelo de fabricación del aspa................................................................19 Figura 12 Representación esquemática del bloque de hormigón y la torre........22 Figura 13 Modelamiento por elementos finitos Tomado de ANSYS 11.0 ...........26 Figura 14 Cargas sobre el eje Tomado de MDSOLIDS V 3.2...............................31 Figura 15 Diagrama de cortante Tomado de MDSOLIDS V 3.2 ...........................31 Figura 16 Diagrama de Momento Tomado de MDSOLIDS V 3.2.........................32 Figura 17 Perfil de la tapa de protección..................................................................33. 4.

(5) INDICE DE TABLAS. Tabla 1 Relación de TSR y C y/C x [16] .................................................................... 14 Tabla 2 Numero de palas en función del TSR [16] ................................................. 16 Tabla 3 Propiedades de los diferentes tipos de suelos [16].................................. 24 Tabla 4 Ajuste de tornillos [12] ................................................................................... 27 Tabla 5 Ajuste de tornillos [12] ................................................................................... 28 Tabla 6 Ajuste de tornillos [12] ................................................................................... 30 Tabla 7 Costos aproximados del proyecto ............................................................... 68. 5.

(6) INDICE DE PLANOS. Plano 1 TORRE BASE................................................................................................. 35 Plano 2 TORRE INFERIOR ........................................................................................ 36 Plano 3 TORRE MEDIA............................................................................................... 37 Plano 4 TORRE SUPERIOR ...................................................................................... 38 Plano 5 BASE DE ROTOR ........................................................................................ 39 Plano 6 BASE DE SOPORTES.................................................................................. 40 Plano 7 GUIA DE SOPORTE ..................................................................................... 41 Plano 8 BLOQUE GUIA............................................................................................... 42 Plano 9 BASE DE RODAMIENTOS .......................................................................... 43 Plano 10 RODAMIENTOS .......................................................................................... 44 Plano 11 EJE................................................................................................................. 45 Plano 12 UNION ALEBES EJE .................................................................................. 46 Plano 13 RESORTE..................................................................................................... 47 Plano 14 ALABE ........................................................................................................... 48 Plano 15 CONO DE FRENO ...................................................................................... 49 Plano 16 BASE DE FRENO........................................................................................ 50 Plano 17 FIJADOR DE AL ABES................................................................................ 51 Plano 18 FIJADOR DE CONO DE FRENO ............................................................. 52 Plano 19 ROSCA DE FIJACION DE BUJE DE ALABES....................................... 53 Plano 20 ROSCA DE FIJACION DE CONO DE FRENO ...................................... 54 Plano 21 TAPA FRONTAL .......................................................................................... 55 Plano 22 TAPA SUPERIOR ........................................................................................ 56 Plano 23 TAPA INFERIOR ......................................................................................... 57 Plano 24 ENSAMBLE BASE....................................................................................... 58 Plano 25 LISTA DE PARTES ENSAMBLE BASE................................................... 59 Plano 26 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE AL ABES ....................................... 60 Plano 27 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE TORRE......................................... 61 Plano 28 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE ROTOR ........................................ 62 Plano 29 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE FUNDACION ............................... 63 Plano 30 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE TORRE......................................... 64 Plano 31 DISCO DE MONTAJE................................................................................. 65 Plano 32 TUBO DE MONTAJE .................................................................................. 66 Plano 33 ENSAMBLE DE MONTAJE ....................................................................... 67. 6.

(7) INTRODUCCION. El agua es el principio de la vida en la tierra, sin embargo, exceptuando aquellos habitantes que carecen de ella (aproximadamente 1.500 millones de personas) el problema parece ser ajeno a la población. El agua es un bien de alto valor económico, finito y muy vulnerable. Será el bien mas preciado de este siglo. Es un recurso básico para el desarrollo estratégico de los países. El ser humano tiene acceso solamente al 0.25% de los recursos hídricos del planeta. El resto es agua salada, hielo, o aguas subterráneas profundas. [8] Dado que tenemos grandes cantidades del recurso hídrico en los mares y océanos se pensó en desalinizar el agua. Este es el proceso por el cual se retira la sal del agua permitiendo que esta sea apta para el consumo humano, en un proceso que requiere grandes cantidades de energía para retirar la sal del agua ya que se debe llevar hasta la evaporación y luego condensarla. El viento es una fuente de energía limpia e inagotable que en la ultima década comenzó a tomar fuerza como energía alternativa ya que los combustibles fósiles contaminan y su precio en el mercado aumenta cada vez mas, es por todo esto que se desea diseñar un sistema eólico que retire la sal del agua de mar de una forma limpia sin contaminar el ambiente, además de esto este proyecto tiene una razón social y es poder permitirle a las comunidades indígenas de nuestro país el abastecimiento de agua en zonas desérticas como lo es la alta guajira.. 7.

(8) 1. UBICACIÓN GEOGRAFICA. La ubicación geográfica es un punto crítico en el proyecto ya que de esto depende el éxito del mismo. Colombia es un país con poco viento esto hace que los proyectos basados en energía eólica sean muy escasos, pero hay una zona en particular donde los vientos son aceptables para el desarrollo de este tipo de proyectos. En la parte alta de Colombia más exactamente, en el departamento de la guajira municipio de La Uribia se encuentran las velocidades más altas del viento en todo el territorio nacional. Figura 1 Municipio de La Uribia Departamento de la Guajira Tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Uribia. Ya que el sistema trabaja con agua de mar es necesaria su instalación en una zona costera de donde podamos tomar el agua sin tener que transportarla grandes distancias, en zonas desérticas donde no se encuentren fuentes hídricas cercanas y cercano a alguna población o ranchería Wayúu.. 8.

(9) Figura 2 Localización geográfica Tomado de Google Earth –Image NASA-2008 Europa Technologies-2008 Tele Atlas-2008 Dmapas. La viabilidad del proyecto esta concebida entre las condenadas 12°12’28.99”N 72°10’54.80”O y 12°14’50.78”N 71°57’24.98”O. 1.1 LOS VIENTOS El viento constituye uno de los elementos fundamentales en el campo del conocimiento atmosférico, permite identificar el estado dinámico del aire y se reconoce como el aire en movimiento. La velocidad del viento en superficie se refiere a la velocidad que alcanza esta variable meteorológica a 10 metros de altura, que es la norma internacional establecida por la Organización Meteorológica Mundial (O.M.M.) como estándar para la medición y seguimiento del viento.[9] Con fines de estudios de energía eólica, vientos con intensidades iguales o superiores a 5 m/s proporcionan una buena alternativa de uso de este tipo de recurso natural para la generación de energía.. 9.

(10) En los anexos A-K se presentan los mapas de vientos a nivel nacional para la selección geográfica del proyecto; se presentan 11 mapas mensuales y 1 anual del promedio de la velocidad (isotacas) construidos con 111 estaciones de referencia mayormente localizadas sobre las zonas Andinas y Caribe junto con 122 datos de frontera localizados en Venezuela, Brasil, Perú, Ecuador, Mar Caribe y Océano Pacífico tomados de modelos regionales y datos complementarios espacialmente ubicados en los Llanos orientales y Amazonía descargados de las mismas fuentes. [9] Haciendo un análisis de estos podemos ver que en el departamento de la guajira es donde tenemos la mayor velocidad de los vientos mas específicamente en la península cerca del cabo de la vela, oscilando entre los 6 y 11 m/s zona en la cual la viabilidad del proyecto es muy alta dado que la potencia por metro cuadrado que podemos obtener depende de la velocidad al cubo, en pequeños cambios en la velocidad tenemos grades cambios en la potencia eólica. Haciendo un análisis mas especifico de esta zona se presenta la rosa de viento del aeropuerto ALMIRANTE PADILL A en el departamento de la guajira en donde se presenta la variabilidad horaria de los vientos en el año y la dirección e intensidad de los mismos. Figura 3 Velocidad del viento a través del año en cada hora del día [9] Fuente. IDEAM. Figura 3 en el eje de las ordenadas encontramos la hora del día en la que ocurre el fenómeno, en el eje de las abcisas encontramos los meses del año en los que ocurre el fenómeno.. 10.

(11) Figura 4 Rosa de los vientos Aeropuerto Almirante Padilla [9] (La Guajira, Riohacha) Fuente IDEM. En la rosa de los vientos encontramos la dirección de donde sopla el viento y la intensidad del mismo. Intensidades superiores o iguales a 5m/s en el campo medio de la velocidad del viento se observan entre las 9 am. Y 5 pm. a lo largo del año, alcanzando intensidades cercanas a los 7 m/s entre enero y agosto. La dirección predominante de donde sopla el viento es del Este. Dado que el aeropuerto esta ubicado al sur de la península la intensidad de los vientos es menor y por esto no es de nuestro interés la intensidad de los vientos en este punto, pero nos da un aproximación para conocer cual es el tiempo de operación del sistema y la dirección de donde provienen estos vientos.. 11.

(12) 2. PARAMETROS DE DISEÑO. 2.1 POTENCIA REQUERIDA Para este proyecto es necesario cuantificar la cantidad de energía que necesitamos para poder evaporar y condensar 50 litros de agua salada proveniente del mar y la energía para transportarla por medio de una bomba a la parte superior de la torre eólica, esto se hace por medio de los siguientes cálculos. Para calcular la energía de evaporación del agua salada es necesario conocer la densidad del agua salada, y el calor latente de evaporación. 3 Densidad de agua salada ρ=1027.78 Kg./m [4] el Calor latente de vaporización es Lv =2257.03 KJ/Kg @ 100 KPa [6] Q= mCp(Tf-To)+ Lv. Ecuación 1. Dado que el volumen de agua es de 50 litros es necesario calcular su masa por medio de la siguiente formula: ρ= m/V. Ecuación 2. 3* 3 m= 0.05m 1027.78 Kg/m m= 51.10kg. Con la ecuación 2 se calcula el calor necesario para evaporar esta cantidad de agua * Q = 51.10 Kg*4.18 KJ/Kg-K*(100-17 ) °C + 2257.03 KJ/Kg*51.10Kg Q= 133163.2 KJ Además de esta energía es necesario calcular la energía que necesita la bomba para subir 10 metros esta cantidad de agua. Ep= m*g*h. Ecuación 3. * 2 Entonces Ep =51.10kg 9.81 m/s *10 m = 5012.91 J. Si estas cantidades las dividimos en el tiempo de operación que se designo de 8 horas ya que ese es el tiempo en el cual tenemos vientos de más de 5 m/s entonces obtenemos lo siguiente: Potencia de vaporización = 4623.72 W lo que corresponde a 6.20 Hp Potencia de bombeo =0.174059 W. 12.

(13) Si sumamos estas 2 tenemos la potencia necesaria para vaporizar 50 litros de agua salada, esto es 6.20 Hp Dado que tenemos perdidas de calor de aproximadamente un 30% ya que no podemos aislar el sistema completamente entonces necesitamos una potencia de 8.06 Hp o 6011.06 W La temperatura promedio en las aguas de la superficie océanos es de aproximadamente 17 grados Centígrados. [4] Figura 5 Diagrama para le determinación de potencia en aerogeneradores rápidos [16]. 13.

(14) 2.2 DIÁMETRO DEL ROTOR. Para calcular el diámetro del rotor, se iguala la potencia específica proporcionada por el generador, a la potencia de salida del sistema a la velocidad del viento; si se sabe que: potencia requerida N = 6.01KW, v = 7.8 m/s η=0.4, ρ=1.225 3 Kg/m entonces encontramos lo siguiente: 1 N = ρ * A *V 3 Ecuación 4 2 Despejando para A obtenemos: A= 50 m 2 lo que lleva a un diámetro del rotor de 7.97 m o un radio de 4 m. 2.3 RELACIÓN DE VELOCIDAD PERIFÉRICA TSR. La relación de velocidad específica o periférica TSR, Tip-Speed-Ratio, es un término que sustituye al número de revoluciones por minuto n del rotor; sirve para comparar el funcionamiento de máquinas eólicas diferentes, por lo que también se le suele denominar velocidad específica. El TSR indica que la periferia de la pala circula a una velocidad TSR veces mayor que la velocidad del viento. TSR =. Rω πRn = cot g (θ ) = 30v v. Ecuación 5. Para encontrar la frecuencia angular n hacemos uso de la figura 5 en donde encontramos que la frecuencia angular n = 86.7 RPM TSR =. π * 4 * 86.7 30 * 7.8. = 4.65 = cot θ. Despejando para θ encontramos θ =12.12° Así que el TSR= 4.65 Tabla 1 Relación de TSR y Cy/Cx [16]. 2.4 SELECCIÓN Y DISEÑO DE LAS ASPAS. 14.

(15) Para el calculo de las aspas se partió de un perfil NACA 0012 que se puede representar por la siguiente ecuación: ± y = 0.29690 x − 0.12600 x − 0.35160x 2 + 0.28430 x 3 − 0.10150 x 4 Ecuación 6 Encontrando el siguiente perfil. Figura 6 Perfil aerodinámico tipo NACA 0012 [11]. Figura 7 Características del perfil tipo NACA 0012 [11]. Por medio de la figura 7 se pueden encontrar los perfiles de arrastre Cx y sustentación Cy, con esto se encuentra el ángulo de ataque al cual va a ser expuesta el aspa. Las condiciones optimas de operación se encuentran el. 15.

(16) punto Cpo de la grafica que indica que el ángulo de ataque es de 7.3° con un coeficiente de arrastre Cx = 0.155 y uno de sustentación Cy =1.21. 2.5 SOLIDEZ Y NUMERO DE PALAS. Una vez seleccionada la relación TSR se determina la solidez Ω mediante la gráfica de la figura 8 y el número Z de palas según la Tabla 2 Tabla 2 Numero de palas en función del TSR [16]. Figura 8 Solidez y numero de palas en función del TSR [14]. Cuando una máquina eólica dispone de un número determinado de palas Z, la superficie total de las mismas se calcula mediante la expresión: Área total de las palas = Z*S = Solidez Ω* Área A barrida por el rotor Por lo que la solidez Ω del rotor se puede interpretar como la relación entre el área geométrica de la pala, S = R L, y el área barrida por ella en su giro, es decir: ZS ZRL ZL Ω= = = Ecuación 7 2 πR πR 2 π R Con esta relación encontramos que Ω = 0.12. 16.

(17) 2.6 VELOCID AD ANGULAR MAXIMA La velocidad máxima Wmax esta determinada por el Modelo Teórico De Beltz en donde se enuncia que solo se puede tener una eficiencia maxima de 59.5%, con esto se obtiene la siguiente ecuación para determinar la velocidad angular máxima: W max =. 16 v Cy = 23.13rad / seg 27 r Cx. Ecuación 8. Lo que corresponde a 220.87 RPM Esto se puede corroborar con la figura 5. 2.7 RENDIMIENTO AERODINÁMICO Se ha definido el rendimiento aerodinámico η como la relación entre la potencia generada por el aerogenerador y la energía del viento que atraviesa el rotor, en la forma:. η=. N ρAv 3 2. Ecuación 9. Figura 9 Relación de rendimiento aerodinámico, TSR y numero de palas para D/L → ∞ [16]. 17.

(18) Se puede ver que el mayor rendimiento se tiene para un sistema de 3 palas o aspas para el TSR de 4.65 que se encontró para este sistema, se espera un rendimiento del 45%, esto se ve disminuido por la relación D/L de la siguiente manera:. Figura 10 Relación de rendimiento aerodinámico, TSR y numero de palas, D/L [16]. Como se puede ver para un TSR de 4.65, el rendimiento aerodinámico se encuentra arriba de 40% en cualquiera de los casos. Se hace el reemplazo en la ecuación 9 y se obtiene que η = 0.41 2.8 RESISTENCIA AERODINÁMICA DE LA PALA. Una fórmula aproximada para determinar la resistencia aerodinámica de un aerogenerador en rotación, inmerso en una corriente de aire de velocidad v, se puede expresar en la forma: Faerod = 0.062 * A * V 2. Ecuación 10. En la que A viene dada en m 2, y V en m/seg. La fuerza aerodinámica es: 2 Faerod = 0,062*50*20 = 1240 Kg y como el rotor tiene 3 palas, la fuerza aerodinámica correspondiente a cada una es de 413.33 kg. Si la máquina eólica está parada, pero inmersa en la corriente de aire, la resistencia estática aerodinámica por pala se calcula mediante la expresión:. 18.

(19) F estática aerod = 2 *Ω* Faerod en movimiento. Ecuación 11. Para una solidez del rotor Ω= 0,12, la fuerza estática aerodinámica para cada pala es: F estática aerod = 2 x 0,12 x 413.33= 99.2 Kg Y la fuerza estática aerodinámica total será igual a 297.6 kg. 2.9 MANUFACTURA Las aspas se deben fabricar en fibra de vidrio como se muestra en la figura 9 y luego se debe proceder al taladrado de los agujeros de sujeción, el número de agujeros es determinado por la fuerza centrifuga que experimentan las aspas al nivel más alto de velocidad.. Figura 11 Modelo de fabricación del aspa. [16]. Partiendo que la masa de cada aspa es de 26.85 Kg tenemos que: F = m * ω max 2 * rcm Ecuación 12 Encontrando así que la fuerza centrifuga es de 57458 N Con esto encontramos cuantos tornillos M8 se deben colocar por cada aspa sabiendo que la fuerza que se ejerce sobre los tornillos es axial P σ= Ecuación 13 A en este caso A depende del numero de tornillos que coloquemos. P N = Ecuación 14 σ*A 57458N N = = 5.28 tornillos, para asegurar la integridad de la 2 215MPa * π * (0.004m) estructura diseñamos para 14 tornillos con un factor de seguridad de 2.65. 19.

(20) 3. DISEÑO DE LA TORRE. 3.1 MANUFACTURA La manufactura de las cuatro estructuras que componen la torre se debe hacer en fundición de arena. Luego de este proceso es necesario hacer un taladrado de los agujeros de donde se van a unir las cuatro partes. Además de esto es necesario hacer un revestido de pintura a cada una de las cuatro torres, esta pintura es especial ya que debe permitir la protección de la estructura contra ataques corrosivos del medio. 3.1.1 PINTURA ANTICORROSIVA 3.1.1.1. Descripción. Producto en dos componentes en envases separados: La anticorrosiva epoxi pura con minio inhibidor de la corrosión y el catalizador poliamínico. La mezcla por volumen de 10 partes de Anticorrosiva con una de Catalizador ref. 13.227 produce al aplicarla, una capa sólida, dura, resistente a aguas dulces no potables o saladas, ácidos débiles, sales, álcalis, disolventes alifáticos y temperaturas de 120° en seco y 70°C en inmersión. 3.1.1.2. Usos. Como Base anticorrosiva, con el acabado final recomendado, del sistema Pintucoat o Pintumastic para la protección interior o exterior de tanques para disolventes alifáticos, soda, aguas dulces y saladas, estructuras, puentes, instalaciones marinas y portuarias, barcos, plataformas de perforación y objetos metálicos en atmósferas de alta contaminación industrial. Por el pigmento minio que lleva en su composición esta Anticorrosiva no debe usarse para proteger recipientes en contacto con líquidos para consumo humano o animal. 3.1.1.3. Preparación de la superficie. El metal debe estar completamente libre de humedad, grasas y otros contaminantes. El óxido, pinturas deterioradas y escama de laminación se deben eliminar. Para máxima eficiencia de la anticorrosiva, se debe tratar el metal con chorro abrasivo mínimo Grado Metal Blanco SA3 (SSPC-SP5) con. 20.

(21) un perfil de rugosidad de 25 a 37 micrones. El perfil de rugosidad se puede medir con el Keane Tator Comparator de KTA Instruments. La mínima preparación de superficie es la Grado Cerca a Metal Blanco SA2.1/2 (SSPCSP10).. 3.1.1.4. Aplicación. Se revuelven por separado con espátulas limpias la Anticorrosiva Pintu Coat ref. 110.026 y el Catalizador ref. 113.227 hasta obtener su completa uniformidad. Se mezclan 10 partes por volumen de componente A con una parte por volumen del componente B con una espátula limpia hasta que la mezcla sea total y uniforme. De la exactitud y uniformidad de la mezcla dependen las propiedades de la anticorrosiva ya aplicada. Se debe evitar la contaminación de los componentes separados con la mezcla de ellos. Preparar únicamente la cantidad que se va a utilizar. Después de ocho horas a 25°C el producto pierde sus propiedades. Ese tiempo disminuye si la temperatura ambiental aumenta y aumenta si dicha temperatura disminuye. Para aplicación a pistola convencional se diluye la mezcla con un 10% por volumen de Ajustador PINTUCO ref. 121.135 y se revuelve muy bien con una espátula. Para aplicación a brocha o rodillo o pistola sin aire, se diluye la mezcla con un 5% por volumen de Ajustador PINTUCO ref. 121.135 y se revuelve bien con espátula. La mezcla se deja en reposo durante 20 minutos como tiempo de inducción. Se aplican dos o tres manos para obtener el espesor seco recomendado, dejando secar de 6 a 15 horas entre manos. Después de 15 horas es necesario lijar suavemente, en seco, hasta eliminar el brillo para obtener buena adherencia entre manos. Inmediatamente se termine la aplicación se lava el equipo aplicador con Ajustador PINTUCO ref. 121.135. Durante el tiempo de preparación de superficie y aplicación del producto, la temperatura de la lámina debe estar mínimo 3°C sobre el punto de rocío. [17]. 3.2 FUNDACION Para el montaje de la torre es necesario hacer el calculo de la fundación de la torre, este se hizo por el método de Sulzberger el cual se basa sobre un principio verificado experimentalmente, que para las inclinaciones limitadas tales que tan(α ) < 0.01, el terreno se comporta de manera elástica. En consecuencia se obtiene reacción de las paredes verticales de excavación y normales de la fuerza actuante sobre el poste; hecho que no figura en el antiguo principio de Mohr, donde se acepta que la reacción de las paredes esta limitada solamente a la fricción que aparecerá durante un saqueo vertical del bloque de fundación. En el método de Sulzberger se acepta que la profundidad de entrada del bloque dentro del terreno depende de la resistencia especifica del terreno contra la presión externa en el lugar considerado. La mencionada resistencia específica se puede llamar presión admisible del suelo y esta se. 21.

(22) mide en Kg/cm 2. esta presión es igual a la profundidad de entrada multiplicada por el índice de compresibilidad C así σ = λ * C como se nota, la unidad de C es en Kg/cm 3, económicamente el método se adopta particularmente bien para fundaciones profundas en forma de bloque de hormigón.[18]. Figura 12 Representación esquemática del bloque de hormigón y la torre [18]. Se parte de un ancho (a) de la fundación con 15 cm a cada lado del poste lo que corresponde a 0.8 m, así que el largo (b) será del mismo valor, como primera aproximación se parte de una profundidad (t) de 2 m, con esto obtenemos que el peso de la fundación es: D2 Gf = (a * b * (t + x) − π * * t ) * γ h = 2132.13Kg Ecuación 15 4 el peso de la tierra en un ángulo β será :. t Gt = ( * ( a * b + ( a + 2 * t * tan(β )) * (b + 2 * t * tan(β )) + 3 a * b * ( a + 2 * t * tan(β )) * (b + 2 * t * tan(β )) − t * a * b ) * γ t Gt = 3207.55Kg. 22. Ecuación 16.

(23) Gtotal= Gf+Gt+Gtorre =8042.7 Kg. Ecuación 17. Con esto calculamos el momento flector a 2/3 de la base de la siguiente manera: M = P * ( L + 2 / 3 * t) Ecuación 18 La carga P=2000 Kg, la longitud L=10m M=22667 Kg*m El momento de fondo se calcula como primera aproximación de la siguiente forma: M b = 0.4 * Gtotal * a = 2573.7Kg * m Ecuación 19 Así el momento de encastramiento Ms=M-Mb =20093.07 Kg*m. Ecuación 20. Dado que el terreno esta en la categoría D de la Tabla 3 tenemos un índice de compresibilidad Cb=Ct=12*t/2=12. ⎛ Ms Entonces t = 15.34 * ⎜⎜ ⎝ b *Ct. ⎞ ⎟⎟ ⎠. 1/ 3. = 196.22cm. Ecuación 21. Para lo que es necesaria una rectificación a los 2 m de profundidad. Se recalculan los valores de Mb y Ms por medio de las ecuaciones 21 y 22 con α=0.01 encontrando que:. ⎛a ⎞ G ⎟ M b = G⎜⎜ − 0.47 ⎟ 2 ( ) bC tg α b ⎝ ⎠ 3 bt Ms = C tg (α ) 36 t. Ecuación 22 Ecuación 23. Mb= 2122,95 Kg*m Ms= 21333,33 Kg*m El dimensionamiento es correcto si se cumple que Ms+Mb> M. Ecuación 24. Reemplazando obtenemos 23456,29 dimensionamiento es correcto.. 23. >. 22666,66. por. lo. cual. el.

(24) Tabla 3 Propiedades de los diferentes tipos de suelos [16]. 3.3 MONTAJE Para iniciar el proceso de montaje de la torre eólica es necesario cavar un hueco con las dimensiones del bloque de hormigón, se procede a verter la 3 mezcla de hormigón que ocupa un volumen de 1.01m , luego se inserta la torre base de tal forma que la parte superior quede a nivel con la superficie, los tornillos aquí deben quedar con la cabeza hacia abajo y deben ser insertados en la estructura al momento de verter el hormigón. Después de 24 horas se. 24.

(25) procede al montaje de la torre inferior, media y superior por medio del mecanismo de ensamble. El mecanismo de ensamble cuanta con 3 partes, tubo de ensamble, disco y malacate, el tubo de ensamble entra roscado en el peldaño superior de la torre, permitiendo el levantamiento de las torres y el rotor, El rotor se debe ensamblar en tierra y luego izado hasta su posición final, todos los ajustes de tornillos deben cumplir la norma ASTM A307, A325, A449, A196, A354-BD, A490 según aplique. (Ver tablas 4,5 y 6) 3.4 MEC ANISMO DE ENSAMBLE El mecanismo de ensamble es un elemento de suma importancia, es por esto que se hicieron los respectivos cálculos para su diseño, este elemento esta sometido a compresión generando falla por pandeo, por esto se hizo un análisis de pandeo en columnas [4]. Se denominan columnas intermedias cuando se cumple la siguiente relación. (L / K )Q < (L / K ) < (L / K )1. Ecuación 25. Y columnas largas si se cumple que. (L / K ) > (L / K )1 Donde K =. I y L es la longitud de la columna. A. ⎡Cπ 2 E ⎤ (L / K )1 = ⎢ ⎥ ⎣ Sy ⎦. (L / K )Q. Ecuación 26 Ecuación 27. 1/ 2. ⎡2Cπ 2 E ⎤ =⎢ ⎥ ⎣ Sy ⎦. Ecuación 28. 1/ 2. Ecuación 29. Con E=205 GPa Sy=350 Mpa L=1.75m tenemos: 2 A=0.00055 m 4 I=8.59E-8 m K=0.0125 m (L/K)=140 (L/K)1=53.76 (L/K)Q=38.01. De=40mm Di=30mm y C=0.25. Lo que indica que es una columna larga, para este tipo de columnas la carga critica se encuentra de la siguiente manera:. 25.

(26) Pcritico =. Cπ 2 EI = 14188.1Kg L2. Ecuación 30. Dado que la carga mas grande es la de la torre media que corresponde a 641.4 Kg , la fuerza que siente la columna es de 1282.94 Kg, como se puede ver la carga es inferior a la carga de pandeo por lo que la estructura resiste esta carga.. 3.5 AN ÁLISIS ESTRUCTURAL Se sabe que la estructura soporta una carga de 12400N a una velocidad de viento de 20 m/s, en la parte superior sin superar el esfuerzo de fluencia del material, esto permite concluir que la torre va a soportar las cargas aplicadas en las condiciones mas extremas de viento, el factor de seguridad para la torre es de 4.8, eso quiere decir que la estructura soporta cargas hasta de 60000N equivalentes a vientos de 112 Km/h, estando en funcionamiento, dado que el sistema cuenta con un sistema de protección que detiene el rotor a una velocidad de 18.4 m/s la torre no sufrirá daños bajo condiciones extremas. Figura 13 Modelamiento por elementos finitos Tomado de ANSYS 11.0. 26.

(27) Tabla 4 Ajuste de tornillos [12]. 27.

(28) Tabla 5 Ajuste de tornillos [12]. 28.

(29) 29.

(30) Tabla 6 Ajuste de tornillos [12]. 30.

(31) 4. DISEÑO DE EJ E Y SISTEMA DE PROTECCION. 4.1 EJE Para el diseño del rotor se tuvieron en cuenta varios aspectos, el primero de ellos es la frecuencia angular n=220 RPM lo que genera una potencia N=102.4Kw lo cual permite encontrar el torque al cual el eje va a estar sometido. P = τ *ω Ecuación 31 Despejando obtenemos. τ = 4427.15N * m Luego se encontró el valor del momento al cual va a estar sometido el eje y las cargas a las cuales va a estar sometido, a continuación se muestra el diagrama de cortante y momento para el eje, las cargas P1 y P2 equivalen a 950N y 1435N respectivamente.. Figura 14 Cargas sobre el eje Tomado de MDSOLIDS V 3.2. Figura 15 Diagrama de cortante Tomado de MDSOLIDS V 3.2. 31.

(32) Figura 16 Diagrama de Momento Tomado de MDSOLIDS V 3.2. Las unidades se dan en Newton y metros Con estos valores es posible hacer un cálculo del eje para encontrar el diámetro del eje por medio de la ecuación 31, el material que se determino para esta parte es acero inoxidable 304 [4]. d=3. 16 * n * M 2 +T 2 π * Sy. Ecuación 32. d=0.04726 m lo que corresponde a 47.26 mm se asegura el eje con un factor de seguridad de 1.05 tomando el diámetro del eje de 50 mm. 32.

(33) 4.2 TAPA DE PROTECCION El diseño de la tapa de protección se llevo a cabo utilizando teoría y ecuaciones para flujo potencial axisimetrico [7]. La ecuación que determina su geometría es:. r ⎛θ ⎞ = csc⎜ ⎟ a ⎝2⎠. Ecuación 33. La geometría se obtuvo tomando un parámetro a=160mm y el resultado es el siguiente: Figura 17 Perfil de la tapa de protección TAPA DE PROTECCION 350 300 Y (m m). 250 200. Serie1. 150 100 50 112 0. 104 0. 96 0. 88 0. 80 0. 72 0. 64 0. 56 0. 48 0. 40 0. 32 0. 24 0. 16 0. 80. 0. 0. X (mm). Esta estructura debe ser fabricada en fibra de vidrio a partir de un molde en madera generado por un torno CNC.. 4.3 RESORTES Los resortes deben estar fabricados en acero inoxidable 304, para el diseño de estos es necesario conocer las condiciones de carga a las que van a estar sometidos. Para una velocidad del viento de 20m/s tenemos que la fuerza aerodinámica F=12400 N tomado de la ecuación 10. Para encontrar la constante K es necesario conocer la geometría y el material del resorte, este es un proceso iterativo en el cual se cambia la geometría hasta encontrar valores deseables de la constante [4].. 33.

(34) K=. Gd 4 8D 3 N a. Ecuación 34. Con esto encontramos que cada resorte tiene una constante K=391.821 N/m Despejando X de la ecuación 35 encontramos la distancia de separación entre el freno y el cono de freno. . F = K *X Ecuación 35 Se encontró que la distancia de separación entre el freno y el cono de frenado es de 15.82 mm, dado que el freno tiene desgaste se coloca el freno y el cono de frenado a una distancia de 12 mm asegurando que un cambio de la geometría o de las propiedades de los materiales el sistema opere sin ningún contratiempo. Esto asegura el frenado del rotor a una velocidad de 17.41 m/s. 34.

(35) 5. INGENIERIA DETALLADA. Plano 1 TORRE BASE. 35.

(36) Plano 2 TORRE INFERIOR. 36.

(37) Plano 3 TORRE MEDIA. 37.

(38) Plano 4 TORRE SUPERIOR. 38.

(39) Plano 5 BASE DE ROTOR. 39.

(40) Plano 6 BASE DE SOPORTES. 40.

(41) .. Plano 7 GUIA DE SOPORTE. 41.

(42) Plano 8 BLOQUE GUIA. 42.

(43) Plano 9 BASE DE RODAMIENTOS. 43.

(44) Plano 10 RODAMIENTOS. 44.

(45) Plano 11 EJE. 45.

(46) Plano 12 UNION ALEBES EJE. 46.

(47) Plano 13 RESORTE. 47.

(48) Plano 14 ALABE. 48.

(49) Plano 15 CONO DE FRENO. 49.

(50) Plano 16 BASE DE FRENO. 50.

(51) Plano 17 FIJ ADOR DE ALABES. 51.

(52) Plano 18 FIJ ADOR DE CONO DE FRENO. 52.

(53) Plano 19 ROSCA DE FIJACION DE BUJ E DE ALABES. 53.

(54) Plano 20 ROSCA DE FIJACION DE CONO DE FRENO. 54.

(55) Plano 21 TAPA FRONTAL. 55.

(56) Plano 22 TAPA SUPERIOR. 56.

(57) Plano 23 TAPA INFERIOR. 57.

(58) Plano 24 ENSAMBLE BASE. 58.

(59) Plano 25 LISTA DE PARTES ENSAMBLE BASE. 59.

(60) Plano 26 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE ALABES. 60.

(61) Plano 27 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE TORRE. 61.

(62) Plano 28 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE ROTOR. 62.

(63) Plano 29 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE FUNDACION. 63.

(64) Plano 30 LISTA DE PARTES ENSAMBLE DE TORRE. 64.

(65) Plano 31 DISCO DE MONTAJ E. 65.

(66) Plano 32 TUBO DE MONTAJ E. 66.

(67) Plano 33 ENSAMBLE DE MONTAJ E. 67.

(68) 6. COSTOS Tabla 7 Costos aproximados del proyecto Nombre de la parte. Material. Cantidad. Precio de la(s) parte(s). alabe arandela 0.5N. Fibra de Vidrio Acero inoxidable, 304. 3 108. $ 2.014.125 $ 16.128. arandela 10N arandela 16W. Acero inoxidable, 304 Acero inoxidable, 304. 10 8. $ 2.124 $ 5.958. BASE DE CAJA base guía. Acero Aluminio, 6061-T6. 1 4. $ 965.760 $ 257.120. base rodamientos bloque de concreto. Aluminio, 6061-T6 cemento portland. 1 1. $ 120.640 $ 302.763. bloque guía cono de freno. Aluminio, 6061-T6 Acero. 4 1. $ 59.840 $ 55.130. disco soporte EJE. Acero Acero. 1 1. $ 20.350 $ 137.040. Aluminio, 6061-T6 Acero. 2 1. $ 75.480 $ 590. Acero Acero. 1 1. $ 250 $ 182.740. Acero Acero inoxidable, 304. 1 2. $ 85.700 $ 13.554. Acero Acero. 1 1. $ 3.880 $ 1.660. Fibra de Vidrio. 2 1. $ 129.300 $ 279.325. tapa posterior tornillo 0.5in. Fibra de Vidrio Acero inoxidable, 304. 1 66. $ 888.850 $ 85.086. tornillo m10 tornillo m10X70. Acero inoxidable, 304 Acero inoxidable, 304. 16 1. $ 12.582 $ 1.008. tornillo m16x60 tornillo m8. Acero inoxidable, 304 Acero inoxidable, 304. 4 42. $ 10.080 $ 14.184. TORRE BASE TORRE INFERIOR. Acero Acero. 1 1. $ 3.863.224 $ 6.268.704. TORRE MEDIA TORRE SUPERIOR. Acero Acero. 1 1. $ 5.131.752 $ 4.004.408. tubo ensamble tuerca 0.5in. Acero Acero inoxidable, 304. 1 54. $ 58.904 $ 25.110. tuerca m10 tuerca m16. Acero inoxidable, 304 Acero inoxidable, 304. 5 4. $ 1.044 $ 3.294. tuerca m8. Acero inoxidable, 304. 42. $ 4.878. eje guía fijador rosca álabes fijador rosca cono freno malacate resorte rosca de ajuste alabes rosca de ajuste de cono SYT_50_F tapa frontal. 68.

(69) unión álabes eje. Aluminio, 6061-T6. SUBTO TAL mano de obra del montaje. 1. $ 267.720. 4. $ 25.370.285 $ 300.000. transporte. $ 2.188.752. TO TAL. $ 27.859.037. La masa total del proyecto es de 4863,9 Kg incluyendo la fundación de concreto. Los costos fueron calculados en base a precio por Kg de cada material, después de procesado y teniendo en cuenta el tamaño. Para acero corriente se tomo un precio base de $10.000 por Kg para piezas pequeñas y $8.000 para piezas grandes. Para las piezas en aluminio se tomo una base de $40.000, en acero inoxidable $18.000 y para las piezas fabricadas en Fibra de Vidrio se tomo un precio base de $25000.por Kg, el concreto vale 3 aproximadamente $300.000 por m lo que corresponde a $ 142 por Kg.. 69.

(70) 7. CONCLUSIONES. 1- Dadas las condiciones del proyecto se puede concluir que la viabilidad de este es muy alta porque los vientos que se manejan en esta zona permiten el desarrollo sostenido del mismo. Como resultado se obtuvo un diseño ligero versátil, económico y resistente. 2- Se logro optimizar el diseño de tal manera que se pudiera extraer la mayor cantidad de energía del viento posible alcanzando valores de eficiencia del 41% lo cual es razonable en este campo. 3- En el diseño se logra un sistema de protección sencillo que cumple con su objetivo de una forma efectiva y económica lo cual lleva a una reducción de peso objetivo fundamental en este proyecto. 4- La sencillez del diseño permite una manufactura sencilla lográndose una reducción en los costos, facilidad en el transporte y ensamble de las piezas. 5- Las partes fueron diseñadas de tal manera que el mantenimiento de las mismas sea mínimo, esto aminora los costos operativos en gran medida. 6- La zona dificulta el transporte y el mantenimiento del proyecto dadas las vías de acceso y la gran cantidad de sal contenida en el aire. 7- Dado el diseño de la torre, este permite transportar y ensamblar todas las partes de una forma sencilla.. 70.

(71) 8. RECOMENDACIONES 1- Es muy importante aclarar que la información mas relevante para el desarrollo de este proyecto se obtuvo de 4 referencias principales ([4],[9],[16],[18]). Estas contienen información útil muy detallada para el desarrollo de proyectos eólicos. 2- Es muy importante la calidad de manufactura en cada una de las partes, especialmente en los alabes ya que de estos depende en gran medida el éxito del proyecto 3- Hay que tener mucho cuidado con la fundación de hormigón ya que un pequeño cambio en el dimensionamiento o en los materiales afecta en gran medida las cargas a soportar, cualquier modificación en la torre conlleva a cambios en la fundación. 4- Es muy importante el ajuste del freno a la distancia indicada, ya que pequeños cambios pueden llevar al proyecto a su destrucción. 5- La fundación debe quedar a nivel junto con la torre, un cambio en el ángulo tiene repercusiones en las fuerzas y por consiguiente en la eficiencia del equipo 6- En el montaje de la torre es necesario hacer uso de elementos de protección como lo son: Botas de seguridad, casco guantes, gafas, arnés y línea de vida.. 71.

(72) 9. BIBLIOGRAFÍA. 1. “MANUAL DE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA”- Ál varo pinilla 1997 Pág.-45- 46 2. “WIND ENERGY HANDBOOK” Tony Burton-David Charpe-Nick Jenkins-Ervin Bossanyi- editorial Wiley 2001 3. “WIND POWER” Paul Gipe –Chelsea Green Publishing Company 2004 4. “DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA” Joseph Shigley – Charles Mischkle editorial Mc Graw Hill 2002 5. “FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA” Mikell Groover editorial Practice Hall 1996 6. “FUNDAMENTALS OF THERMODYNAMICS” Richard E. Sonntag, Claus Borgnakke, Gordon J. Van Wylen Editorial Wiley 2002 6th Edition th 7. “FLUID MECHANICS” White Frank editorial Mc Graw Hill 6 edition 2004 8. http://tecnologiaysociedad.unianades.edu.co/html/agua/a11.html 9. http://www.ideam.gov.co/VientoEnergiaEolica/AtlasContenido.html 10. http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Water/density.sp.html&edu =high 11. http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/1933/naca-report-460.pdf 12. http://www.portlandbolt.com/technicalinformation/bolt-torque-chart.html 13. http://www.skf.com/ 14. http://www.matweb.com/ 15. http://www.windpower.org/ES/stat/betzpro.htm 16. http://personales.ya.com/universal/TermoWeb/EnergiasAlternativas/eolic a/index.html 17. http://www.distribuidorapintuco.com/tools/industdet.asp?Id=17 18.http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/Libros%202007/libros/lesoi/soi8/Sulzberger.pdf. 72.

(73) ANEXOS. ANEXO A Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Febrero. 73.

(74) ANEXO B Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Marzo. 74.

(75) ANEXO C Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de abril. 75.

(76) ANEXO D Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Ma yo. 76.

(77) ANEXO E Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Junio. 77.

(78) ANEXO F Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Julio. 78.

(79) ANEXO G Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Agosto. 79.

(80) ANEXO H Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Septiembre. 80.

(81) ANEXO H Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Octubre. 81.

(82) ANEXO I Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Noviembre. 82.

(83) ANEXO J Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual mes de Diciembre. 83.

(84) ANEXO K Mapa de velocidad media del viento en superficie promedio multianual. 84.

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Referencias

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