SUBSECRETARIA DE EDUCACIÓN SUPERIOR
DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN
SUPERIOR TECNOLOGICA
INSTITUTO TECNOLOGICO DE TUXTLA GUTIERREZ
DEPARTAMENTO DE METAL-MECANICA
INFORME TECNICO DE RESIDENCIA PROFESIONAL
TITULO:
REDISEÑO DE BOMBA HIDRÁULICA ACCIONADA CON ENERGIA SOLAR,
EÓLICA Y DE FORMA MECÁNICA
ASESOR:
DR. ROBERTO CARLOS GARCÍA GOMEZ
PRESENTADO POR
JOSE ROBERTO BERMUDEZ HERNANDEZ
TUXTLA GUTIERREZ, CHIAPAS
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 6
ÍNDICE
ÍNDICE DE FIGURAS ... 11
ÍNDICE DE ECUACIONES ... 13
Índice de tablas ... 15
INTRODUCCIÓN ... 16
Justificación ... 18
Objetivos ... 20
1.- Objetivo general ... 20
2.- Objetivos específicos ... 20
3.-Caracterización en el área que se participó ... 21
4.-Problemas a resolver ... 22
5.-Alcances y limitaciones ... 23
CAPITULO 1: ESTUDIO DEL CAMPO DE ARTE ... 24
1.1 Tipos de bombas volumétricas... 24
1.1.1.- Bombas reciprocantes de pistón... 24
1.1.2 Embolo buzo ... 26
1.1.3 Multi-pistón ... 26
1.1.4 Bombas de diafragma mecánicas. ... 27
1.1.5 Bombas de engranajes ... 28
1.1.6 Bombas de perfiles conjugados ... 30
1.1.7 Bombas de paletas ... 31
1.1.8 Bombas de cavidades progresivas ... 32
1.1.9 Bombas de tornillo ... 34
1.1.10 Bombas peristálticas ... 35
1.2 Ventajas y desventajas ... 36
1.3 Usos de las bombas de desplazamiento positivo ... 37
1.4 Energías renovables ... 37
1.5 Energía eólica ... 38
1.6 Cómo se genera energía ... 39
1.7 Fuentes renovables de energía ... 40
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 7
1.9 Molinos y turbinas ... 41
1.9.1 Tipos de turbinas ... 41
1.9.2 DARRIEUS ... 42
1.9.3 Ventajas de las turbinas verticales ... 42
1.9.4 Desventajas ... 42
1.9.5 Molino de viento ... 42
1.9.6 AEROGENERADOR ... 43
1.9.7 Ventajas de las turbinas horizontales ... 43
1.9.8 Desventajas ... 43
1.10 La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor ... 44
1.10.1 Densidad del aire ... 44
1.10.2 Área de barrido del rotor ... 45
1.11 Cómo funciona la energía eólica ... 45
1.12 Meteorología en Tuxtla Gutiérrez ... 46
CAPÍTULO 2: FUNDAMENTO TEORICO ... 47
2.1 ingeniería conceptual ... 47
2.2 Conceptos de diseño ... 47
2.3 Proceso del diseño mecánico ... 48
2.4 Factores de diseño. ... 49
2.5 Fundamentos de ergonomía ... 50
2.5.1 Consideraciones ergonómicas sobre el diseño de equipos ... 51
2.5.2 Factores ergonómicos ... 51
2.6 Ejes de transmisión ... 53
2.6.1 Criterios de diseño de ejes. ... 53
2.6.2 Deformación en ejes ... 53
2.6.3 Velocidad crítica de ejes. ... 55
2.7 Análisis cinemático de engranes ... 61
2.7.1 Terminología y definiciones ... 62
2.8 Relación de transmisión ... 67
2.8.1 Diámetro y número de dientes ... 68
2.8.2 Diámetro y número de revoluciones... 68
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 8
2.8.4 Diámetro y velocidad de rotación ... 70
2.8.5 Número de dientes y velocidad de rotación ... 71
2.9 cojinetes de contacto rotatorio ... 71
2.9.1 Materiales para cojinetes de contacto rotatorio. ... 72
2.9.2 Tipos de cojinetes de elementos rotatorios. ... 72
2.10 Diseño de accesorios de sujeción ... 76
2.11 Propiedades de los fluidos ... 77
2.12 Tipos de flujos ... 79
2.12.1.- Flujo laminar ... 79
2.12.2 Flujo laminar en tuberías ... 80
2.12.3 Flujo turbulento... 81
2.13 Numero de Reynolds. ... 83
2.13.1 Velocidad critica ... 84
2.14 Determinación de las cargas. ... 84
2.15 Concepto de pérdida de carga ... 86
2.16 Fricción en tuberías ... 87
2.16.1 pérdidas de carga por fricción en tubería recta ... 87
2.17 Rugosidad relativa (є) ... 89
2.18 Factor de fricción ... 89
2.19 Ecuación de Swamee-Jain ... 90
2.20 Perdidas de fricción en válvulas y conexiones. ... 91
2.21 Cálculo del caudal. ... 91
2.22 Rendimiento volumétrico. ... 93
2.23 Rendimiento hidráulico. ... 94
2.24 Rendimiento mecánico ... 94
2.25 Rendimiento total ... 95
2.26 Motores de corriente alterna ... 95
2.26 Clasificación de motores ... 96
2.26.1 Motor de corriente alterna y su clasificación... 97
2.27 Tipos de generadores ... 98
2.28 Fuerza electromotriz de un generador ... 99
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 9
2.29.1 Parámetros de rendimiento ... 103
2.30 Diseño de un álabe de un rotor eólico aplicando el método del elemento finito ... 104
2.30.1 ¿Qué es el viento? ... 104
2.30.2 La ley de Betz ... 105
2.30.3 Partes de un generador ... 106
2.30.4 Partes y regiones de un perfil ... 109
2.30.5 Parámetros geométricos de los perfiles... 109
2.30.6 Resistencia del aire ... 111
2.30.7 ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE EL PERFIL. POTENCIA ÚTIL Y RENDIMIENTO ... 112
2.30.8 NOMENCLATURA DE PERFILES NACA-4 CIFRAS.- ... 113
2.30.9 Perfil NACA para máquinas eólicas ... 114
2.31 Tamaño de las palas y coeficiente de solidez Ω ... 116
2.31.1 CONSIDERACIONES ACERCA DE LOS COEFICIENTES DE ARRASTRE (CD) Y DE SUSTENTACIÓN (CL) Y LA OBTENCIÓN DEL ÁNGULO DE INCIDENCIA ... 116
2.31.2 Valor de SR ... 117
2.31.3 Valores de SP ... 117
2.31.4 Valor de L ( CUERDA DEL PERFIL DEL ÁLABE) ... 118
2.31.5 superficie total de palas ... 118
2.31.6 FUERZA ESTÁTICA AERODINAMICA ... 118
CAPÍTULO 3: MEMORIA DE CÁLCULO ... 119
3.1 descripción del prototipo ... 119
3.2 Cálculos de la carrera de pistón de doble efecto ... 120
3.3 Calculo de caudal de pistón de doble efecto ... 121
3.4 Calculo de perdidas hidráulicas ... 123
3.5 Rendimiento mecánico, volumétrico y total ... 128
3.5.1 Rendimiento mecánico (nm) ... 128
3.5.2 Rendimiento total ... 128
3.6 Calculo de engranes ... 129
3.7 Calculo de ejes de la caja de cambios ... 131
3.7.1 Cálculo del eje principal conectado al molino de viento ... 131
3.7.2 Calculo de eje de transmisión conectado al pistón de doble efecto ... 133
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 10
3.9 Calculo de la potencia de trabajo ... 137
3.10 Calculo de la potencia requerida del panel ... 138
3.11 Calculo de banco de baterías ... 139
3.11.1 Máxima PD (profundidad de descarga) ... 139
3.11.2 Selección de baterías ... 139
3.11.3 Factor de confiabilidad optimo ... 139
3.12 Controlador de carga... 140
3.13 Selección de inversor ... 141
3.14 Cálculo del aerogenerador. ... 141
3.14.1Cálculo de las necesidades ... 141
3.14.2 dimensionamiento del generador ... 142
3.14.3 dimensionamiento de la hélice ... 143
3.14.5 SELECCIÓN DE CABLES ... 144
3.14.6 Diseño mecánico del álabe aplicando el método del elemento finito ... 145
3.14.7 Cálculo de las RPM ... 146
3.14.8 Cálculo de la relación de velocidad entre velocidad periférica y la velocidad periférica y la velocidad del viento. ... 146
3.14.9 VELOCIDAD PERIFÉRICA DEL VIENTO SOBRE EL ÁLABE ... 147
CAPÍTULO 4: DISEÑO FINAL Y SIMULACIÓN ... 153
CAPITULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 167
Bibliografía ... 174
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 11
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1.1-1 (BOMBA RECIPROCANTE DE PISTON) 1 ... 24
FIGURA 1.1.1-2 (Partes constitutivas de una bomba de pistón de doble efecto) 2 ... 25
FIGURA 1.1.1-3 (Bomba reciprocante de simple efecto, con tres pistones ) 3 ... 25
FIGURA 1.1.2-1 (Bomba reciprocante con embolo buzo) 4 ... 26
FIGURA1.1.3-1 (Bomba multi-pistón, pistones paralelos) 5 ... 27
FIGURA 1.1.1-2 (Bomba multi-pistón, pistones radiales) 6 ... 27
FIGURA 1.1.4-1 (Bomba de diafragma-Esquema de funcionamiento) 7 ... 28
FIGURA 1.1.4-2 (Bomba de diafragma-Corte) 8 ... 28
FIGURA 1.1.5-1 (Bomba de engranajes exteriores, rígidos) 9 ... 29
Bomba de engranajes interiores (Corte) y vista 10 ... 29
FIGURA 1.1.5-5 (Bomba de engranajes flexibles) 11 ... 30
FIGURA 1.1.6-1 (Bomba de perfiles conjugados- 2 lóbulos) 12 ... 30
FIGURA 1.1.6-2 (Bomba de perfiles conjugados- 3 lóbulos) 13 ... 31
FIGURA 1.1.7-1 (Bombas de paletas) 14 ... 32
FIGURA 1.1.8-1 (Bomba Mono) 15 ... 32
FIGURA 1.1.8-2 (Esquema de una bomba Mono) 16 ... 33
FIGURA 1.1.9-1 (Bomba de tornillo) 17 ... 34
FIGURA 1.1.9-2(Configuración a doble tornillo) 18 ... 35
FIGURA 1.1.10-1 (Bomba peristálticas de dos y un rodillo respectivamente) 19 ... 36
FIGURA 1.9.1-1 (Aerogeneradores) 20 ... 43
FIGURA 2.3-1 (Proceso o etapas del diseño) 21 ... 48
FIGURA 2.5.1-1 (Consideraciones ergonómicas sobre el diseño de equipos) 22 ... 51
FIGURA 2.6.2-1 (Diagrama de momentos flectores) 23 ... 54
FIGURA 2.6.3-1 (Representación de la primera y segunda velocidad crítica en un eje) 24. 55 FIGURA 2.6.3-2.- (Deflexión en un eje de una sola masa con peso W) 25 ... 56
FIGURA 2.6.3-3 eje sometido a varias masas) 26 ... 57
FIGURA 2.6.3-4 deformacion de ejes con 2 masas) 27 ... 59
Figura 2.6.3-5 deformaciones) 28 ... 60
figura 2.6.3-6 deformaciones) 29 ... 61
Figura 2.7.1-1 (engrane recto) 30 ... 62
Figura 2.7.1-2 partes de engranajes) 31... 64
Figura 2.9.2-1 rodamientos) 32 ... 73
Figura 2.9.2-2 soportes 33 ... 74
Figura 2.10-1 (diferentes tipos de cuñas para flechas) 34 ... 76
Figura 2.21-1 bomba de doble efecto 35 ... 92
Figura 2.26.1-1 (Motor de corriente alterna) 36 ... 96
Figura 2.19-1(Inversor solar instalado en una planta de conexión a red en Speyer, Alemania) 37 100 figura 2.19-1(Inversor solar instalado en una planta de conexión 38 ... 100
Figura 2.19-3(Vista general de un inversor) 39 ... 101
Figura 2.19-4(Tablero Inversor de cargas) 40 ... 102
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 12
Figura 2.30.3-2 diversos perfiles de álabes) 42 ... 107
Figura 2.30.6-1 placas sometidas a un flujo de aire) 43 ... 112
Figura 2.30.8-1 perfiles NACA) 44 ... 113
Figura 2.30.9-1 valores del factor de potencia F) 45 ... 115
Figura 2.30.9-2 factores de corrección de la densidad del aire) 46 ... 115
figura 2.31-1perfil NACA 2410) 47 ... 116
figura 2.31-2obtención del ángulo de ataque) 48 ... 117
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 13
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1.11-1 (energia cinética) 1 45
Ecuación 1.11-2 (masa) 2 ... 45
Ecuación 1.11-3 (energía cinetica) 3 ... 45
Ecuación 1.11-4 (potencia ) 4 ... 45
Ecuación 2.4-1(esfuerzo tension) 5 ... 49
Ecuación (esfuerzo ultimo) 6 ... 49
Ecuación 2.6.2-1 (doble integración) 7 ... 54
Ecuación 2.6.2-2(doble integración) 8 ... 54
Ecuación 2.6.2-3 (angulo de tg) 9 ... 54
Ecuación 2.6.2-4 (delta) 10... 54
Ecuación 2.6.3-1(frec. Natural) 11 ... 55
Ecuación 2.6.3-2(primera vel. Critica) 12 ... 56
Ecuación 2.6.3-3(energía cinetica) 13 ... 57
Ecuación 2.6.3-5(ecuacion de Rayleigh-Ritz) 14 ... 58
Ecuación 2.7.1-1(paso diametral) 15 ... 62
Ecuación 2.7.1-2 (paso circular) 16 ... 63
Ecuación Ec. 2.7.1-3 (modulo) 17 ... 63
Ecuación Ec. 2.7.1.4 (paso circular) 18 ... 63
Ecuación Ec. 2.7.1-5 (altura total) 19 ... 63
Ecuación Ec. 2.7.1-6 (numero de dientes) 20 ... 64
Ecuación Ec. 2.8-1(relación de transmición) 21 ... 67
Ecuación Ec. 2.8.1-1 diametro y numero de dientes) 22 ... 68
Ecuación 2.8.1-2(relación del modulo) 23 ... 68
Ec. 2.8.3-1(relación entre no. de dientes y diámetros) 24 ... 69
Ecuación 2.8.4-1 diámetro y velocidad de rotación) 25 ... 70
Ecuación 2.8.4-2 vel. Tangencial) 26 ... 70
Ecuación 2.8.4-2 vel. Tangencial) 27 ... 77
Ecuación 2.11-2(peso especifico) 28 ... 77
Ecuación 2.11-3(peso esp. relativo) 29 ... 77
Ecuación 2.11-5(gravedad especifica) 30 ... 78
Ecuación Ec. 2.11-7 (velocidad cinemática) 31 ... 78
Ecuación 2.12.2-2 (velocidad máxima) 32 ... 80
Ecuación 2.12.2-3 (caudal)33……… ….81
Ecuación 2.12.2-4(velocidad media) 34 81
Ecuación Ec. 2.12.2-6(perdida de fricción) 35 ... 81
Ecuación 2.12.3-1 (tensión rasante) 36 ... 82
Ecuación 2.12.3-2 (viscosidad turbillonaria) 37 ... 82
Ecuación 2.12.3-3(distribución de velocidades) 38 ... 82
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 14
Ecuación 2.13-1(Reynolds) 39 ... 83
Ecuación 2.14-3(caudal) 40 ... 85
Ecuación 2.14-4 (energía de presión) 41 ... 85
Ecuación 2.14-6(ecuación de Bernoulli) 42 ... 85
Ecuación (Ec. 2.14-7) (Altura o cuota piezométrica) 43 ... 86
Ecuación 2.15-2(perdida de carga) 44 ... 86
Ecuación 2.15-3(perdida total) 45... 87
Ecuación 2.16.1-3(porcentaje de pérdidas) 46 ... 88
Ecuación 2.17-1(rugosidad relativa) 47 ... 89
Ecuación Ec. 2.18-1(factor de fricción) 48 ... 89
Ecuación Ec. 2.19-1(flujo turbulento rugoso) 49 ... 90
Ecuación 2.19-2(flujo turbulento liso) 50 ... 90
Ecuación 2.20-1(perdidas por accesorios) 51 ... 91
Ecuación 2.21-1 (velocidad descarga) 52 ... 91
Ecuación . 2.21-2(caudal teórico) 53 ... 92
Ecuación 2.21-4(rendimiento volúmetrico) 54 ... 92
Ecuación 2.21-7(caudal total) 55 ... 93
Ecuación 2.22-1(rendimiento volumétrico) 56 ... 93
Ecuación 2.25-1(rendimiento total) 57 ... 95
Ecuación 2.25-2(potencia de la bomba) 58 ... 95
Ecuación 2.29.1-1)(factor armónico) 59 ... 103
Ecuación .2.29.1-2(distorsion armonica total) 60 ... 103
Ecuación 2.29.1-3(factor de distorsión) 61 ... 103
Ecuación 2.29.1-4(componente armónico) 62 ... 103
Ecuación 2.30.6-1(resistencia del aire) 63 ... 111
Ecuación 2.30.3-2(fuerza de arrastre) 64 ... 112
Ecuación 2.30.3-3 (fuerza de acenso) 65 ... 112
Ecuación 2.30.9-1(área frontal barrida por la pala) 66 ... 114
Ecuación 2.30.9-2(potencia útil) 67 ... 114
Ecuación 2.31-1(coeficiente de solidez) 68 ... 116
Ecuación 2.31.2-1 (valor del SR) 69 ... 117
Ecuación 2.31.3-1 (cuerda del perfil) 70 ... 118
Ecuación 2.31.3-2(superficie total de palas) 71 ... 118
Ecuación 2.31.3-3 (fuerza estática aerodinámica) 72 ... 118
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 15
Índice de tablas
Tabla 2.7.1-1(numero de dientes en cuanto al angulo de presión) 1 ... 65
Tabla 2.7.1-2 (piñones y engranes) 2 ... 65
Tabla 2.7.1-3 (sistema de dientes estándar AGMA Y ANSI para engranes rectos) 3 ... 66
Tabla 2.9.2-1 (Comparación de tipo de cojinetes) 4 ... 74
Tabla 2.9.2-2 (cojinetes) 5 ... 76
Tabla 2.11-1 (Viscosidad cinemática del agua ( ) a diferentes temperaturas ( )) 6 ... 79
Tabla 2.7.1-3 parámetros de los engranes 7 ... 130
Tabla 3.14.2-1 (tabla indicadora de la potencia del generador) 8 ... 142
Tabla 3.14.3-1 (tabla indicadora del dimensionamiento de la hélice) 9 ... 143
Tabla 3.14.3-2 (tabla indicadora de la velocidad de máximo rendimiento) 10 ... 143
Tabla 3.14.4-3(coeficientes de diferentes tipos de molinos) 11 ... 144
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 16
INTRODUCCIÓN
Hoy en día ha sido presentada la reforma energética de 2013 en México, siendo esta una
iniciativa de reforma constitucional presentada por el Presidente de la República, Enrique
Peña Nieto, el 12 de agosto de 2013. En esta Se busca corregir las limitaciones del
modelo energético para agregar energías renovables a gran escala mediante un mercado
administrado por el Estado a través de un operador independiente, y el establecimiento de
certificados de energías limpias. Con esto, se promueve la diversificación en la producción
de la energía, empleando, o haciendo uso de energía eólica, geotérmica, hidráulica y mini
hidráulica, biomasa y solar.
Las necesidades energéticas de las viviendas, de las empresas, de los comercios y de
todos los servicios de una ciudad (por ejemplo alumbrado público) a menudo son muy
grandes. Las instalaciones ya gigantescas deben evolucionar para lograr tres cosas:
responder a la demanda cada vez mayor, proteger los recursos naturales, y disminuir los
vertidos a la atmosfera, especialmente de gases con efecto invernadero.
El viento se puede aprovechar para aplicaciones mecánicas y electrificaciones de sitios
aislados. Es por ello que la energía eólica es el recurso que está creciendo más
rápidamente, a tal punto que se piensa que en 20 años, más del 17% de la energía
consumida en el mundo va a provenir del aprovechamiento del viento, desplazando al
petróleo, y otros productos no renovables. Hasta hace tiempo, la velocidad mínima del
viento por encima de los 15 KM/H, era una propiedad indispensable, hoy ese mínimo ha
decrecido a tal punto que brisas no muy intensas se aprovechan para la obtención de
energía (http://presidencia.gob.mx/reformaenergetica/#!landing)
En cumplimiento con el Artículo 17 del Reglamento de la Ley para el Aprovechamiento de
Energías Renovables y la Secretaría de Energía publica la Prospectiva de Energías
Renovables 2012-2026. (Prospectiva de energías renovables 2012-2026). Este proyecto
tiene el fin de impulsar el uso de tecnologías como la eólica, la solar y mecánica, así como
dar a conocer el potencial energético de nuestro país proveniente de recursos naturales.
En la elaboración de este proyecto se ha dado seguimiento a los objetivos planteados por
la Estrategia Nacional de Energía 2012-2026, relativos a la diversificación de las fuentes
de energía incrementando la participación de tecnologías limpias.
El bombeo de agua tiene una larga historia a lo largo de los años se han desarrollado
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 17 energéticas. Los cuales no todas se han desarrollado para poder ser funciónales en todas
partes ni concientizado para la preservación del medio ambiente. La energía eólica y la
solar pueden ser opciones excelentes en áreas remotas donde los costos para extender
las líneas de distribución eléctrica son altos.
Este tipo de energías renovables nos brindaran una ventaja sobre aquellos lugares en los
cuales hay fuentes de energía pero que no son aprovechadas adecuadamente. Se puede
ahorrar dinero y ayudar a reducir la contaminación ambiental mediante el uso de fuentes
de energía renovable, que nos sirve para el riego por goteo o para pozos de agua para el
ganado.
Las fuentes de energía renovable son también una buena opción cuando sólo hay
necesidad de bombear una cantidad pequeña de agua. Generalmente, se requiere muy
poca agua para el ganado y para uso residencial.
Para tomar una decisión inteligente acerca de las fuentes de energía renovable y el
aprovechamiento de estas para bombeo de agua, es útil comprender algunos conceptos
básicos acerca de las energías renovables, incluyendo:
Que son las energías renovables.
Que es la energía solar.
Que es la energía eólica.
De qué manera podemos aprovechar la energía eólica y energía solar.
De qué manera podemos optimizarlo para una bomba de pistón.
Los componentes principales de una bomba de pistón.
Las ventajas y desventajas de las bombas de energía solar y eólica.
Cómo calcular sus requerimientos de bombeo también es importante considerar
los costos de compra y utilizar un sistema de bombeo, incluyendo el costo inicial,
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 18
Justificación
El presente proyecto procura y apoya el mejoramiento de aquellas zonas en donde el
abastecimiento de agua se logra solo con el acarreo, obtenida de aquellas fuentes como
son ríos, manantiales, lagos o pozos profundo y que no cuentan con ningún medio de
bombeo para llenar un deposito con una altura suficiente para abastecerse por la presión
generada por gravedad o simplemente la extracción del agua se realiza de una forma
rudimentaria.
Es por ello que se diseñara una bomba de succión mediante energía renovable que
pueda satisfacer la demanda de agua para consumo humano, para riego, o el llenado de
los bebederos del ganado. Emplearemos en conjunto, la energía solar, energía eólica, y
como respaldo de la ausencia de algunas de las dos antes mencionadas,
implementaremos uno manual.
El medio de bombeo será por succión, esta técnica de bombeo se ubicaran en donde
haya un, pozo profundo, un rio, un manantial o laguna que podamos aprovechar para el
abastecimiento de agua para el uso a fin. De igual forma simplificar el trabajo de acarreo
de agua a distancias considerables, en donde la población sufre para obtener el vital
líquido y poder satisfacer sus necesidades.
En nuestro país es importante estudiar la aplicación y los efectos de implementación de
Energías renovables, ya que también pude representar una oportunidad para
incentivar el crecimiento de varias industrias relacionadas con las energías limpias y
beneficiarse de inversiones y crear nuevos empleos.
Entre los impactos más relevantes para el proyecto en general se citan los siguientes:
Ambientales: aprovechar energías renovables como la solar y eólica para generar
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 19 Social: Hacer ver que las energías renovables son una buena fuente para crear
energía eléctrica y trabajo mecánico y que con ello se pueden crear o incorporar
nuevas tecnologías para beneficios de aquellas tareas que resulten ser un problema
para la sociedad.
Económico: Los beneficios económicos se fundamentan, principalmente, en el
ahorro que conlleva llevar las redes eléctricas a determinados lugares en donde las
condiciones de terreno o distancia no permite ser la mejor opción en cuanto a costos.
Tecnológico: crear nuevas formas de obtención de energía para realizar un trabajo
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 20
Objetivos
1.- Objetivo general
Diseño de un generador eólico a una bomba de succión apta para trabajar con energía
solar, eólica y de forma manual para el suministro de agua potable para regiones rurales,
bebederos de ganado o riego, aprovechando los tipos de energía sustentable como son:
Etapa 1: Energía eólica.
Etapa 2: Energía solar.
Y en la ausencia de los tipos de energía ya mencionados implementarlo con un:
Etapa 3: Dispositivo de bombeo manual.
2.- Objetivos específicos
Definir las variables considerables en cuanto al diseño del molino de viento
Revisión y síntesis del estado del arte de los sistemas de bombeo por succión y
obtener resultados, aportaciones teóricas y técnicas valiosas de la búsqueda de
información.
Definir las variables a considerar en el diseño básico de la bomba.
Realizar los cálculos de ingeniería básica para dimensionar la bomba de pistón y
potencia requerida.
Diseñar un sistema de energía eólica para generar la potencia requerida.
Diseñar un sistema manual para generar el caudal requerido.
Diseñar una caja de velocidades para acoplar los tres sistemas de bombeo.
Modelación en 3D de partes principales de la bomba, caja de velocidades y
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 21
3.-Caracterización en el área que se participó
Se participó en el área de ingeniería Mecánica en esta área se dedica al análisis, diseño,
fabricación y mantenimiento de sistemas mecánicos con los cuales ha permitido la
creación de dispositivos útiles para la sociedad.
Nuestra participación en este proceso consistió en el diseño de una bomba de succión
con energía renovable. Para esto se requirieron conocimientos del área de diseño y de
flujo de fluidos, así como de las materias que llevamos en la carrera de ingeniería
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 22
4.-Problemas a resolver
El desarrollo de este proyecto será un aporte valioso debido al impacto y aplicaciones que
puede obtener en zonas donde es difícil transportar agua, además que puede ser
aplicable para campos de cultivo donde tengan un depósito de almacenamiento y para
uso doméstico.
El abastecimiento de agua ya sea para uso doméstico es una de las necesidades básicas
para la vida del ser humano por lo cual el principal problema a resolver es el diseño del
sistema de bombeo adecuado que cumpla con las necesidades para transportar el agua
con el menor costo de inversión que resuelvan los problemas de suministro de 1000 l/h de
agua.
Por lo cual se diseñara un dispositivo de bombeo por medio de energías renovables que
son la eólica, solar y energía mecánica. Aprovechando la existencia de aguas
subterráneas.
La realización de este proyecto de residencia tiene como meta diseñar una bomba con
energía renovable (solar, eólica y manual) para el suministro de agua que permita
acarrear más agua con menos esfuerzo especialmente en áreas donde es difícil
transportar el agua, además que sea un proyecto que no contamine el medio ambiente y
que sea de bajo costo para los lugares más remotos. Haciendo una comparación a largo
plazo del costo que proporcionan las compañías hidroeléctricas es redituable el
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 23
5.-Alcances y limitaciones
Entre los alcances para el desarrollo de este proyecto de diseño de una bomba de
succión con energía renovable se consultaron fuentes de internet, libros, ingenieros,
tesis, entre otros. Además se podrán hacer llamadas a distintos lugares para hacer
cotizaciones de productos que se utilizarán en el proyecto y tener estimaciones de los
costos.
El proyecto tiene los recursos suficientes para aplicarlos a las necesidades que se
requieran. Entre las limitantes de este proyecto se encuentra el tiempo de construcción de
las estructuras que soporta el molino de viento y entrega del pedido de panel solar, ya que
depende de la autorización y de las órdenes de compra, también de la disponibilidad de
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 24
CAPITULO 1: ESTUDIO DEL CAMPO DE ARTE
1.1 Tipos de bombas volumétricas
1.1.1.- Bombas reciprocantes de pistón
Están constituidas por uno o varios pistones o émbolos que se mueven dentro de un
cilindro con movimiento alternativo de vaivén. Este movimiento alternativo es provocado
por un cigüeñal, manivela, excéntrica o levas giratorias y una biela.
Se llama bomba de “simple efecto” aquella en que por cada revolución del cigüeñal hay
una sola carrera útil, con uno sólo de los extremos del pistón en contacto con el fluido
(véase la Figura 1.1-1).
FIGURA 1.1.1-1 (BOMBA RECIPROCANTE DE PISTON) 1
En una bomba de “doble efecto”, por cada revolución del órgano accionado se tienen
dos carreras útiles. Ello se suele lograr con dos lados del pistón en contacto con el fluido
(ver figura 1.2). La presencia del vástago disminuye el volumen bombeado en uno de
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 25 FIGURA 1.1.1-2 (Partes constitutivas de una bomba de pistón de doble efecto) 2
Otra manera de aumentar el volumen bombeado por revolución consiste en utilizar
pistones trabajando en paralelo (ver Figura 1.1.1-3), accionadas por un solo motor con un
solo cigüeñal.
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 26
1.1.2 Embolo buzo
Estas bombas no tienen diferencia esencial con las descritas anteriormente; la única
diferencia radica en que el pistón entra en contacto con el fluido no sólo por su parte
frontal sino también por su superficie cilíndrica (Véase la Figura 1.4). (Bombas
volumetricas)
FIGURA 1.1.2-1 (Bomba reciprocante con embolo buzo) 4
1.1.3 Multi-pistón
Estas bombas se caracterizan por tener varios pistones trabajando en paralelo, todos
movidos por un único motor.
En la disposición paralela en línea, un único cigüeñal mueve todos los pistones. En la
disposición en tambor, el motor mueve una platina que, simultáneamente, hace girar
mediante un árbol central el cuerpo de cilindros y además produce, por su inclinación,
el movimiento reciprocante de los pistones. Todos los cilindros están comunicados, a
través de sendas válvulas, con cámaras de aspiración y de impulsión. Variando el ángulo
de la platina se pude variar la carrera de los pistones y por ende se regula el caudal.
Otra realización utilizada coloca los pistones radialmente dentro de una carcasa exterior
móvil respecto al cuerpo que aloja los cilindros (ver Figura N° 1.1.3-1). Éste gira
excéntricamente, produciendo el movimiento de vaivén de los pistones.
La disposición multi-cilindro permite disminuir la amplitud de las pulsaciones de presión en
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 27 FIGURA1.1.3-1 (Bomba multi-pistón, pistones paralelos) 5
FIGURA 1.1.1-2 (Bomba multi-pistón, pistones radiales) 6
1.1.4 Bombas de diafragma mecánicas.
Estas bombas difieren de las de pistón sólo en que el espacio variable o cámara de
compresión de volumen variable se logra por la deformación de un diafragma en lugar del
movimiento de un pistón. Véase el esquema de su funcionamiento en la Figura N° 1.1.4-1
y un corte de una bomba real en la Figura N° 1.1.4-2. Esta solución no permite llegar a
presiones tan elevadas como con las de pistón; tienen como parte débil el diafragma, que
está sometido a flexiones repetidas. Su principal ventaja radica en la ausencia total de
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 28 FIGURA 1.1.4-1 (Bomba de diafragma-Esquema de funcionamiento) 7
FIGURA 1.1.4-2 (Bomba de diafragma-Corte) 8
1.1.5 Bombas de engranajes
Las bombas de engranajes exteriores (ver figura N° 1.1.5-1) conducen el líquido en las
cavidades limitadas por la carcasa, dos dientes consecutivos de cada engranaje y las
paredes anterior y posterior. Son adecuadas para líquidos de alta viscosidad, y permiten
lograr muy altas presiones.
Pueden estar ambos engranajes motorizados externamente, o uno de ellos conducir al
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 29 FIGURA 1.1.5-1 (Bomba de engranajes exteriores, rígidos) 9
Las bombas de engranajes interiores capturan el fluido entre dos engranajes que
engranan uno dentro del otro, girando ambos engranados conjuntamente y excéntricos
entre sí: el interior guiado por su eje y el exterior por la carcasa fija (ver figuras N° 1.1.5-2
(a) y N° 1.1.5-3 (b)).
FIGURA 1.1.5-3 Bomba de engranajes interiores (Corte) y vista 10
Se utilizan, también, bombas de un solo engranaje flexible, construido con algún
elastómero adecuado al fluido a bombear (ver Figura N° 1.1.5-4). Suelen ser utilizadas
para aplicaciones de poca altura (habitualmente, no más de 1,5 bar) y bajo caudal. Su
ventaja radica en su simplicidad de montaje y mantenimiento, además de su reducido
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 30 FIGURA 1.1.5-5 (Bomba de engranajes flexibles) 11
1.1.6 Bombas de perfiles conjugados
Estas bombas trabajan de acuerdo al mismo principio que las de engranajes exteriores,
pero se elaboran con otros perfiles. Tienen dos rotores, que normalmente son iguales
(pueden ser distintos) y que suelen ser movidos independientemente. Sus perfiles son
tales que se mantienen en contacto mutuo en todo momento (contacto eventualmente
lubricado y sellado por el propio fluido bombeado). El fluido es impulsado entre los lóbulos
de los perfiles y la carcasa. En las Figuras N° 1.1.6-1 y N° 1.1.6-2 se muestran cortes
esquemáticos de bombas de perfiles de dos y tres lóbulos; se ha elaborado una gran
cantidad de perfiles al efecto.(Bombas volumetricas)
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 31 FIGURA 1.1.6-2 (Bomba de perfiles conjugados- 3 lóbulos) 13
1.1.7 Bombas de paletas
Estas bombas se caracterizan por tener un rotor con paletas planas deslizantes
radialmente en él. Dicho rotor gira excéntrico dentro de una carcasa circular (véase figura
N° 1.1.7-1). Una porción de fluido atrapada en la zona de entrada entre dos paletas
consecutivas y las tapas laterales es conducida hacia la boca de descarga de la bomba,
que suele ser colineal con la boca de entrada.
Las paletas deslizan apoyadas sobre la carcasa fija, oprimidas por la fuerza centrífuga;
algunos modelos incluyen resortes en el interior de las ranuras del rotor para mantener el
contacto. Son aptas para diferencias de presiones relativamente bajas, en especial
cuando son de un pequeño número de paletas. Este número puede ser desde dos hasta
un máximo de 8 o 10, muy raramente más. El material de las paletas tiene que ser, a la
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 32 FIGURA 1.1.7-1 (Bombas de paletas) 14
1.1.8 Bombas de cavidades progresivas
Llamadas bombas Mono ver figura N°1.1.8-1, constan de un rotor helicoidal de perfil
transversal redondeado, que gira en una carcasa de sección transversal adecuada para
confinar el fluido y transportarlo axialmente a medida que el rotor gira.
FIGURA 1.1.8-1 (Bomba Mono) 15
Sea D el diámetro del rotor en cualquier sección transversal y e la excentricidad con que gira su centro; la sección transversal de la carcasa tiene la forma de dos semicírculos de
diámetro D separados por un rectángulo de lados D y 4e (véase Figura N° 1.1.8-2).
Debido a la rotación excéntrica del rotor, el par motor se le suele trasmitir mediante un
árbol con articulaciones cardán. Este árbol queda sumergido en el fluido impulsado,
habitualmente del lado de entrada, aunque estas bombas pueden funcionar en cualquiera
de los dos sentidos indistintamente (a menos de las fugas por el sellado entre el árbol
motor y la carcaza).
Otro efecto de la rotación excéntrica del rotor es la vibración: son máquinas
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 33 usual que N varíe entre 100 rpm y 300 rpm; un límite superior al cual rara vez se llega
pueden ser los 1000 rpm. La vibración inducida es de baja frecuencia y relativamente alta
amplitud, por lo que no se traduce en un ruido excesivo. Pero sí condiciona la fundación y
el montaje requerido. Estas bombas suelen usarse para materiales pastosos, de alta
viscosidad, eventualmente con sólidos en suspensión. Los materiales de rotor, carcaza,
árbol cardán y cojinetes suelen elegirse en función de las sustancias a impulsar. El rotor
suele ser de acero, hierro fundido o acero inoxidable; la carcaza o estator suele ser de
algún elastómero dentro de una envolvente de acero; el elastómero suele tener una
buena resistencia al desgaste abrasivo.
FIGURA 1.1.8-2 (Esquema de una bomba Mono) 16
Se acostumbra que haya un leve ajuste de compresión entre rotor y estator, lo cual causa
un par resistente adicional al requerido por el bombeo. En esos casos la bomba suele
considerarse autocebante para alturas negativas en la succión de hasta 8 metros. En
estos casos la bomba no debe operar en seco pues deterioraría el estator elastomérico.
El caudal es fácilmente controlable con la velocidad de rotación, la presión tiene mínimas
pulsaciones y son de operación muy simple y exenta de problemas. (Bombas
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 34
1.1.9 Bombas de tornillo
Estas bombas, al igual que las de cavidades progresivas, confinan el fluido entre un
tornillo (entre dos filetes consecutivos) y una carcasa o envolvente que hermana con las
aristas del tornillo a medida que éste gira.
Una realización utilizada en obras de saneamiento es el llamado “tornillo de Arquímedes”
(ver Figura N° 1.1.9-1), utilizado para elevar grandes caudales de fluidos a pequeñas
alturas; suele ser de entrada y salida no confinada: toma de un tanque o canal abierto y lo
envía a otro a nivel superior.
Es utilizado, principalmente, en instalaciones de tratamiento de aguas residuales.
FIGURA 1.1.9-1 (Bomba de tornillo) 17
Otra realización es la configuración a doble tornillo (ver Figura N° 1.1.9-2), que traslada el
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 35 FIGURA 1.1.9-2(Configuración a doble tornillo) 18
En el tornillo de Arquímedes los filetes de rosca suelen ser de chapa relativamente fina;
en cambio en las bombas de tornillo para mayores presiones los filetes suelen ser de
sección rectangular o trapecial para disminuir las pérdidas volumétricas. (Bombas
volumetricas)
1.1.10 Bombas peristálticas
Estas bombas tienen un órgano rotatorio que no está en contacto con el fluido. Éste
circula por el interior de un tubo flexible que es comprimido por unos rodillos (ver figura N°
1.1.10-1), confinando así una cierta cantidad de líquido e impulsándolo hacia la descarga.
Se usa este tipo de bombas cuando se quiere evitar totalmente la posibilidad de fugas de
fluido. También cuando se desea medir con precisión, como en actividades de laboratorio
o en dosificación de productos químicos. Sólo se usan para caudales muy pequeños
(habitualmente unos pocos litros por hora, nunca más de 12000 lts. /h ni siquiera en los
tamaños más grandes). Su debilidad radica en el tubo flexible: al estar sometido a
flexiones repetidas suele deteriorarse y debe ser recambiado periódicamente. El material
con que se construye este tubo debe ser, por un lado, lo más resistente posible a las
flexiones repetidas; y por otra parte compatible con los fluidos que circulan. (Bombas
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 36 FIGURA 1.1.10-1 (Bomba peristálticas de dos y un rodillo respectivamente) 19
1.2 Ventajas y desventajas
Las ventajas de las bombas reciprocantes de pozo llano son:
Alta presión disponible
Autocebantes (dentro de ciertos límites)
Flujo constante para cargas a presión variable
Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor
Las desventajas son:
Baja descarga
Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas
Muchas partes móviles
Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes
Succión limitada
Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada
Requieren un torque considerable para llevarlas a su velocidad
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 37
1.3 Usos de las bombas de desplazamiento positivo
Bombeo en pozos llanos
Bombeo en pozos profundos
Para niveles de agua variable
Bombas de incendio
Bombas de transferencia y circulación
Operación por molinos de viento
Altas cargas a presión
Alimentación de calderas
Bombeo de aceite y gasolina
Fumigadores de cosechas(Bombas de desplazamiento positivo)
1.4 Energías renovables
Los combustibles fósiles (petróleo, carbón mineral y gas natural) son recursos finitos que
inexorablemente van a agotarse; de ahí su denominación de "recursos no renovables".
Por fortuna, existen también las energías renovables, que se definen como formas de
energía que tienen una fuente prácticamente inagotable con respecto al tiempo de vida de
un ser humano en el planeta, y cuyo aprovechamiento es técnicamente viable.
Dentro de estos tipos de energía se encuentran: la solar, la eólica (viento), la mini
hidráulica (ríos y pequeñas caídas de agua), la biomasa (materia orgánica), la geotermia
(calor de las capas internas de la Tierra) y la oceánica, principalmente.
Las energías renovables ofrecen la oportunidad de obtener energía útil para diversas
aplicaciones, su aprovechamiento tiene menores impactos ambientales que el de las
fuentes convencionales y poseen el potencial para satisfacer todas nuestras necesidades
de energía presentes y futuras. Además, su utilización contribuye a conservar los recursos
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 38 Para este proyecto se estudiaran dos tipos de energías renovables los cuales son la
energía eólica y energía solar, y en caso de la ausencia de sol o viento, se empleara un
dispositivo manual operado por una persona.(Energia renovable)
1.5 Energía eólica
La energía eólica es la energía obtenida de la fuerza del viento, es decir, mediante la
utilización de la energía cinética generada por las corrientes de aire, esta energía está
creciendo más rápidamente y, si los gobiernos le aseguran el apoyo necesario, podría
cubrir en el 2020 el 12% de toda la electricidad mundial. Se obtiene a través de una
turbinas eólicas son las que convierten la energía cinética del viento en electricidad por
medio de aspas o hélices que hacen girar un eje central conectado, a través de una serie
engranajes (la transmisión) a un generador eléctrico. La energía eólica requiere
condiciones de intensidad y regularidad en el régimen de vientos para poder
aprovecharlos. Se considera que vientos con velocidades promedio entre 5 y 12.5 metros
por segundo so los aprovechables.
El viento contiene energía cinética (de las masas de aire en movimiento) que puede
convertirse en energía mecánica o eléctrica por medio de aeroturbinas, las cuales están
integradas por un arreglo de aspas, un generador y una torre, principalmente
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que
desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión,
con velocidades proporcionales (gradiente de presión). Por lo que puede decirse que la
energía eólica es una forma no-directa de energía solar. Las diferentes temperaturas y
presiones en la atmósfera, provocadas por la absorción de la radiación solar, son las que
ponen al viento en movimiento.
El desarrollo de este tipo de energía puede reforzar la competitividad general de la
industria y tener efectos positivos y tangibles en el desarrollo regional, la cohesión
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 39
1.6 Cómo se genera energía
Como se sabe hay muchas formas de generar energía y, de hecho,”todo es energía o
puede convertirse en energía”. Hay energías renovables y otras que no lo son.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se
desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión,
con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Estos vientos se generan a causa
del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar,
entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Durante el día las
masas de aire sobre los acéanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a
las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales.
La tierra absorbe una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra
sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frio y
más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento
para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
Cuando se realizan estudios de factibilidad, para poder aprovechar la energía eólica es
importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos,
variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas
en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos
con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad
máxima de viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance
una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 40
1.7 Fuentes renovables de energía
Las fuentes renovables de energía se basan en los flujos y ciclos naturales del planeta.
Son aquellas que se regeneran y son tan abundantes que perdurarán por cientos o miles
de años, las usemos o no; además usadas con responsabilidad no destruyen el medio
ambiente. La electricidad, la calefacción o refrigeración generados por las fuentes de
energía renovables, consisten en el aprovechamiento de los recursos naturales, el viento,
los residuos agrícolas u orgánicos. Incrementar la participación de las energías
renovables, asegura una generación de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo
la emisión de CO2. Aplicadas de manera socialmente responsable, pueden ofrecer
oportunidades de empleo en zonas rurales y urbanas y promover el desarrollo de
tecnologías locales (RODRIGUEZ, 2013).
1.8 Aspectos prácticos de la energía eólica
Si bien existe mucha información sobre el mejor aprovechamiento de la energía eólica,
todas ellas de gran utilidad.
El viento ha tenido tal importancia en la vida cotidiana del hombre que, en la antigüedad,
llegó a elevarlo a la categoría de Dios, en la mitología griega, el Dios padre de los vientos
era Eolo, quien según cuenta la leyenda, tenía encerrados en un zurrón y los sacaba
cuando le parecía oportuno.
La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores)
capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya
sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de
energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un
generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como
aerogenerador.
En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En éstos la energía
eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un
generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su
instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 41 Un molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable, que
proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje
común. El eje giratorio puede conectarse para moler grano, bombear agua o generar
electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de
molino de viento. Si se usa para producir electricidad se denomina generador de turbina
de viento. Los molinos tienen un origen remoto.
El viento como fuerza motriz existe desde la antigüedad y en todos los tiempos ha sido
utilizado como tal, como podemos observar. Tiene su origen en el sol. Así ha movido a
barcos impulsados por velas o ha hecho funcionar la maquinaria de los molinos al mover
sus aspas. Pero, fue a partir de los ochenta del siglo pasado, cuando este tipo de energía
limpia sufrió un verdadero impulso. (RODRIGUEZ, 2013)
1.9 Molinos y turbinas
Una turbina eólica o turbina de viento es una turbina accionada por la energía eólica. Se
trata de una turbo máquina motora que intercambia cantidad de movimiento con el viento,
haciendo girar un rotor. La energía mecánica del eje del rotor puede ser aprovechada
para diversas aplicaciones como moler, en el caso de los molinos de viento; bombear
agua, en el caso de lasaerobombas; o para la generación de energía eléctrica, en
los aerogeneradores.
Las turbinas eólicas se clasifican, según la orientación del eje del rotor, en verticales y
horizontales. (García, 2010)
1.9.1 Tipos de turbinas
SAVONIUS
Las turbinas Savonius son un tipo de turbinas de eje vertical usadas para convertir el
poder del viento en torsión sobre un eje rotatorio. Fueron inventadas por el ingeniero
finlandés Sigurd J. Savonius en 1922.
Puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricación; tiene una velocidad
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 42
1.9.2 DARRIEUS
Debe su nombre al ingeniero francés Georges Darrieus, quien patentó el diseño en 1931.
Requiere vientos de 4 a 5 m/s, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen
rendimiento. (García, 2010)
1.9.3 Ventajas de las turbinas verticales
No se necesita una torre de estructura poderosa.
Las palas del rotor son verticales así que no se necesita orientación al viento, y
funcionan aun cuando este cambia de dirección rápidamente.
Pueden ser ubicadas cerca del suelo, haciendo fácil el mantenimiento de las partes Pueden tomar ventaja de aquellas irregularidades del terreno que incrementan la
velocidad del viento.
Necesitan una menor velocidad del viento para empezar a girar.
Son menos propensas a romperse con vientos fuertes.
Son fácilmente evitadas por los pájaros. (RODRIGUEZ, 2013)
1.9.4 Desventajas
La mayoría de las turbinas verticales producen energía al 50% de la eficiencia de las
turbinas horizontales.
No toman ventaja de los vientos fuertes de mayor altura.
1.9.5 Molino de viento
Los molinos de viento son estructuras bajas, generalmente de cuatro aspas, que se
construyeron en Europa a partir del sigloXII. Quizá sean los más famosos y conocidos y,
entre ellos y gracias a Don Quijote, los de La Mancha, pero los había por todas partes
aunque muy especialmente en España, donde las corrientes de los ríos no eran tan
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 43
1.9.6 AEROGENERADOR
Las turbinas eólicas modernas, conocidas también como aerogeneradores tienen su
origen en Dinamarca en la década de 1980. Hoy en día la industria eólica utiliza
generadores con rotores de hasta 126 metros de diámetro fabricados con alta tecnología.
Son usadas en parques eólicos para la producción comercial de electricidad. La gran
mayoría tiene tres palas, están pintadas de un tono claro, tienen una eficiencia alta y
están controladas por computadora.
FIGURA 1.9.1-1 (Aerogeneradores) 20
1.9.7 Ventajas de las turbinas horizontales
Extremos de pala variable, lo que da a las hojas el ángulo de ataque óptimo. Permitir
que el ángulo de ataque sea ajustado proporciona gran control, de modo que la
turbina puede recoger la máxima cantidad de energía eólica de cada día y estación.
Las torres altas permiten acceder a vientos más fuertes en sitios con cizalladura. En
algunos lugares, cada 10 metros de altura, la velocidad del viento se incrementa un
20%.
1.9.8 Desventajas
Las turbinas horizontales tienen problemas para funcionar cerca del suelo, debido a
las turbulencias.
Las torres altas y las palas largas son difíciles de transportar. El transporte puede
costar un 20% del costo de equipamiento.
Las turbinas altas son difíciles de instalar y necesitan grúas poderosas y operadores
hábiles.
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 44 Presentan impacto visual en el entorno, y con frecuencia suscitan reclamaciones por
afeamiento del paisaje.
Exigen un control cuidadoso, de lo contrario, son propensas a la fatiga de material y
los daños estructurales (VALLEJO, 2012) .
1.10 La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor
Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un
par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida
al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la
velocidad del viento (http://presidencia.gob.mx/reformaenergetica/#!landing)
1.10.1 Densidad del aire
La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así,
la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por
unidad de volumen.
En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina.
A presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro
cúbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.
Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes
altitudes (en las montañas) la presión del aire es más baja y el aire es menos denso
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 45
1.10.2 Área de barrido del rotor
Un aerogenerador típico de 1.000 kW tiene un diámetro del rotor de 54 metros, lo que
supone un área del rotor de unos 2.300 metros cuadrados. El área del rotor determina
cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del
rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más
grande recibirá 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces más energía.
(http://www.motiva.fi/myllarin_tuulivoima/windpower%20web/es/tour/wres/enerwind.htm)
1.11 Cómo funciona la energía eólica
Un aerogenerador convierte la fuerza de frenado del viento que ejercen las aspas, en un
movimiento giratorio del roto.
Si “m” es la masa del aire que pasa por el rotor y “v” su velocidad, la energía cinética del
viento que llega al rotor es:
Ecuación 1.11-1 (energia cinética) 1
Si “ρ” es la densidad del aire y “A” el área de barrido del rotor, la masa de aire que pasa
cada unidad de tiempo por el rotor, la masa de aire que pasa cada unidad de tiempo por
el rotor es:
Ecuación 1.11-2 (masa) 2
de las expresiones anteriores
Ecuación 1.11-3 (energía cinetica) 3
Donde se pone P de potencia, en analogía con E de energía. Si ahora consideramos que
Cp es el coeficiente de potencia de la turbina, se obtiene la conocida expresión de la
potencia de salida:
3 Ecuación 1.11-4 (potencia ) 4 Esta expresión explica las directrices que ha seguido el desarrollo de la energía eólica
para generar electricidad.
El factor más influyente es el cubo de la velocidad del viento, que ha obligado a
perfeccionar los métodos de prospección de sitios y predicción certera de la velocidad del
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 46 El segundo factor es el área de barrido del rotor que depende del cuadrado de su
diámetro, lo que ha conducido el desarrollo estructural hacia la fabricación de aspas cada
vez más largas y resistentes a la solicitación dinámica.
El tercer factor, es el rendimiento del rotor, que ha guiado hacia continuos cambios de
diseño aerodinámico de aspas;
Y a posibilitar la generación eléctrica a velocidad variable. (RODRIGUEZ, 2013).
1.12 Meteorología en Tuxtla Gutiérrez
(ZONA PONIENTE DE LA CIUDAD, CARRETERA PANAMERICANA KM 1080)
Humedad relativa: 55%
Velocidad del viento media anual: 13 Km/h
Ráfagas de viento: 6 Km/h (velocidad máxima)
velocidad mínima: 5 Km/h
Dirección del viento: NNE
Punto de rocío: 20
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 47
CAPÍTULO 2: FUNDAMENTO TEORICO
2.1 ingeniería conceptual
El diseño es una disciplina común a muchos casos. En todos participa con características
similares, cuya enumeración facilita su definición. El diseño está ligado a la concepción,
construcción o implementación de objetos, sistemas o dispositivos que no existen aún, o
que existiendo requieren modificaciones para cumplir con nuevos requerimientos. Implica
la toma de decisiones frente a la incertidumbre causada por la falta de información o
antecedentes.
El diseño es acción, actividad, romper el equilibrio, ya que sin esto no se iniciaría el
proceso de diseño.
2.2 Conceptos de diseño
Existe un sin número de definiciones de lo que es el diseño, sin embargo mencionaremos
solamente algunas que consideramos importantes y que fueron dadas por diferentes
autores. Podemos decir entonces que:
a).- El diseño es una actividad creativa que supone la consecución de algo nuevo y útil,
sin existencia previa. (Reswick, 1965).
b).- El diseño es la solución óptima de un conjunto de verdaderas necesidades en un
conjunto particular de circunstancias. (Matchett, 1968).
c).- El diseño consiste en simular lo que queremos construir (o hacer), antes de construirlo
(o hacerlo), tantas veces como sea necesario para confiar en el resultado final. (Booker, 1964).
d).- El diseño técnico es la utilización de principios científicos, información técnica e
imaginación en la definición de una estructura mecánica, máquina o sistema que realice
funciones específicas con el máximo de economía y eficiencia. (Fielden, 1963).
Tomando como apoyo las definiciones anteriores podemos establecer el siguiente
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 48 El “diseño mecánico” es el proceso lógico que ordena y planea la actividad creativa que, utilizando principios científicos, información técnica e imaginación, define estructuras
mecánicas, máquinas o sistemas para realizar funciones específicas con el máximo de
economía y eficiencia. (Shigley, 1990)
2.3 Proceso del diseño mecánico
El proceso del diseño se refiere a la metodología que debe seguirse durante el desarrollo
de cualquier tipo de diseño. Este proceso o etapas del diseño se representan en la figura
(N° 2.3-1).
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 49
2.4 Factores de diseño.
Para materiales dúctiles en los cuales se considera que el esfuerzo último a la tensión y
compresión tienen el mismo valor, se tiene:
Ecuación 2.4-1(esfuerzo tension)
5
Ecuación (esfuerzo ultimo) 6
Resulta aparente que la relación del factor de seguridad apropiada es empírica y depende
mucho de la experiencia que se tenga. Cuando un dispositivo tiene mucho tiempo de uso,
los factores referentes a su comportamiento son confiables. De hecho se puede depender
de tales datos aunque hayan tenido modificaciones en el diseño.
(Vidosic, 1969) Considera razonables los siguientes factores de seguridad, los cuales
están basados en la resistencia a la cadencia:
1.- ns= 1.25 – 1.5, para materiales muy confiables usados bajo condiciones controladas y,
sujetos a carga y esfuerzo que puedan determinarse con exactitud.
2.- ns= 1.5 – 2, para materiales con características perfectamente conocidas con condiciones ambientales fijas y, sujetos a cargas y esfuerzos que puedan determinarse
con facilidad.
3.- ns= 2 – 2.5, para materiales que trabajan en condiciones normales y sujetos a carga y
esfuerzo que puedan calcularse
4.- ns= 2.5 – 3, para materiales poco experimentados o para materiales frágiles en condiciones normales de medio ambiente, carga y esfuerzo.
5.- ns= 3 – 4, para materiales no experimentados en condiciones normales de medio ambiente, carga y esfuerzo.
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 50 7.- ns= 3 – 8, para materiales frágiles, considerando a la resistencia última como la máxima teórica.
2.5 Fundamentos de ergonomía
La ergonomía es una disciplina técnico-científica y de diseño que estudia integralmente al
hombre (o grupos de hombres) en su marco de actuación relacionado con el manejo de
equipos y máquinas, dentro de un ambiente laboral específico, y que busca la
optimización de los tres sistemas (hombre-máquina-entorno).
El objetivo principal de la ergonomía, es la actividad concreta del hombre aplicado al
trabajo utilizando medios técnicos, siendo su objetivo de investigación el sistema
hombre-máquina-entorno.
El término ergonomía proviene del griego ergón (trabajo) y nomos (leyes naturales). Fue
propuesto por el naturalista polaco Woitej Yastembowski en 1987 en su estudio “ensayos
de ergonomía o ciencia del trabajo”, basado en las leyes objetivas de la ciencia sobre la
naturaleza, en la cual se proponía construir un modelo de la actividad laboral humana.
Frederic Taylor da los primeros pasos en el estudio de la actividad laboral con su obra “Organización científica del trabajo”, donde se aplica el diseño de instrumentos
elementales de trabajo tales como palas de diferentes formas y dimensiones.
En los años veinte del siglo pasado se desarrolla con gran intensidad la fisiología, la
sicología y la higiene del trabajo, y sus resultados adquieren gran aplicación en la
producción. La sociología industrial nace en esa época con los experimentos de Howtorn
de Elton Mayo, que demuestran que los estímulos morales y psicológicos no están por
debajo de los económicos, surgiendo así una corriente de humanización del trabajo.
Con el advenimiento de la Segunda Guerra mundial puede considerarse que en el mundo
occidental surge la ergonomía como disciplina ya formada el 12 de Julio de 1949
(Sociedad de investigación Ergonómica).
En ésta fecha se formó un grupo interdisciplinario interesado en los problemas laborales
humanos. El 16 de Febrero de 1950 se adoptó el término ergonomía, dando lugar a su
bautizo definitivo.
En 1961 se fundó la Asociación Ergonómica Internacional con más de 30 países
DISEÑO DE BOMBA DE SUCCIÓN MEDANTE ENERGIA SUSTENTABLE Página 51 a desarrollarse en los años cincuenta con base a la mecanización y automatización de la
producción. (Shigley, 1990)
2.5.1 Consideraciones ergonómicas sobre el diseño de equipos
Las consideraciones ergonómicas que hay que tomar en cuenta en el diseño de equipos
se representan en la figura (2.5.1-1).
FIGURA 2.5.1-1 (Consideraciones ergonómicas sobre el diseño de equipos) 22
2.5.2 Factores ergonómicos
Son aquellos que inciden en el comportamiento del sistema hombre-máquina-entorno.
Entre los factores ergonómicos figuran:
a).-Diseño del equipo.
Un diseño normalizado del equipo que obedece a las características somáticas y