• No se han encontrado resultados

REDISEÑO DE BOMBA HIDRÁULICA ACCIONADA CON ENERGIA SOLAR, EÓLICA Y DE FORMA MECÁNICA

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2020

Share "REDISEÑO DE BOMBA HIDRÁULICA ACCIONADA CON ENERGIA SOLAR, EÓLICA Y DE FORMA MECÁNICA"

Copied!
181
0
0

Texto completo

(1)

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

(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

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

(7)

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

(8)

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

(9)

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

(10)

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

(11)

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

(12)

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

(13)

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

(14)

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

(15)

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

(16)

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

(17)

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,

(18)

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

(19)

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

(20)

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

(21)

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

(22)

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

(23)

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

(24)

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

(25)

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.

(26)

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

(27)

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

(28)

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

(29)

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

(30)

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)

(31)

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

(32)

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

(33)

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

(34)

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

(35)

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

(36)

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

(37)

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

(38)

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

(39)

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

(40)

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

(41)

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

(42)

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

(43)

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.

(44)

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

(45)

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

(46)

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

(47)

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

(48)

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).

(49)

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.

(50)

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

(51)

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

Referencias

Documento similar

Luis Miguel Utrera Navarrete ha presentado la relación de Bienes y Actividades siguientes para la legislatura de 2015-2019, según constan inscritos en el

Fuente de emisión secundaria que afecta a la estación: Combustión en sector residencial y comercial Distancia a la primera vía de tráfico: 3 metros (15 m de ancho)..

La crítica a la que apunta Vettese es que, aunque pensemos que proyectos renovables como la energía hidroeléctrica o eólica son fuentes marcadamente ecológicas, sin

mientras que al utilizar un modelo individual entrenamos un único modelo sobre un único conjunto de datos, en un modelo de ensemble stacking hay varias capas de modelos y los modelos

La campaña ha consistido en la revisión del etiquetado e instrucciones de uso de todos los ter- mómetros digitales comunicados, así como de la documentación técnica adicional de

En la imagen de abajo se puede ver combinadas las dos energías, tanto la solar como la eólica y además la producción que ambas tendrían a lo largo del año. En los meses de junio,

Técnicas de análisis del comportamiento de aeroturbinas y parques eólicos.. Líneas de trabajo.. 1) Análisis y diseño de rotores eólicos y

Informe de optimización de parque eólico con separación elíptica para el modelo de estela Park Modificado2. Información general