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Generación de energía eléctrica aprovechando residuos calóricos y energía eólica

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Academic year: 2020

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(1)

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA APROVECHANDO

RESIDUOS CALÓRICOS Y ENERGÍA EÓLICA

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO MECATRÓNICO

MARIO EDUARDO ECHEVERRÍA BUCHELI

DIRECTOR: ING. GUILLERMO MOSQUERA CANCHINGRE, MSC

(2)
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

BIBLIOTECA UNIVERSITARIA

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1716894926

APELLIDO Y NOMBRES: Echeverría Bucheli Mario Eduardo

DIRECCIÓN: Diaz de la Madrid y Valderrama

EMAIL: balrogmario@hotmail.es

TELÉFONO FIJO: 02 223 6468

TELÉFONO MOVIL: 099 263 5644

DATOS DE LA OBRA

TITULO: GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

APROVECHANDO RESIDUOS CALÓRICOS

Y ENERGÍA EÓLICA

AUTOR O AUTORES: MARIO EDUARDO ECHEVERRÍA

BUCHELI

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: 1 de Marzo de 2017

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN: ING. GUILLERMO MOSQUERA

CANCHINGRE, MSC

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero en Mecatrónica

RESUMEN: Mínimo 250 palabras

Para producir movimiento y que este pueda trasformase en energía eléctrica, aprovechando el residuo calórico de las plantas industriales y la

energía eólica de su ubicación, se propone el rediseño y estudio de una

turbina híbrida

Tomando un sistema ya existente de extracción eólica de calor mediante

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

BIBLIOTECA UNIVERSITARIA

una panémona, se desea optimizar su principio de funcionamiento y utilizar

la energía con la que se mueve el dispositivo para acoplar en el mismo un generador de energía eléctrica; a razón de utilizar de mejor manera las energías provenientes de las fuentes eólicas y los residuos calóricos de una

planta, donde el sistema ya esté implementado.

El rediseño consiste en modificar la geometría de sus álabes, y agregar

aspas adicionales con el fin de aumentar la potencia de giro del dispositivo original manteniendo sus principios básicos de funcionamiento,

creando así en los techos de las plantas donde estos se implementen

un pequeño campo eólico. Mediante este estudio se demuestra que si es posible optimizar la potencia

del dispositivo que dependiendo de las condiciones climáticas y la producción de la planta puede generar de 2.4 [W] a 6.4 [W] mediante el rediseño propuesto; este dispositivo puede aplicarse en plantas con una alta generación de residuos calóricos.

PALABRAS CLAVES: Generador, Eólica, Residuos calóricos,

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

BIBLIOTECA UNIVERSITARIA

ABSTRACT: The present work describes the

redesign of a hybrid turbine. In order to move it uses heat extraction of industrial facilities and wind power producing mechanical energy and

turning it into electric energy. Using the ventilation and heating extraction system with vertical-axis turbine to improve its working principle

and use the energy produced by the movement of the turbine to generate electricity. To obtain this, the vertical-axis turbine has to be attached to an electric generator in order to take

advantage of the wind and heat produced by the facilities where the

original system is already implemented.

The redesign modifies the geometry of the wind blades of the turbine; also, incorporating some additional blades inside it in order to attempt to improve the originals systems power keeping it the basic working principle; therefore establishing a little wind farm over the

facilities roof.

This investigation proves it’s possible to improve de system’s power generating 2.4 [W] to 6.4 [W] through

(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

DEDICATORIA

A las personas que me apoyaron incondicionalmente durante mi etapa de estudiante, especialmente a quienes influyeron, me motivaron y estimularon para culminar este trabajo investigativo.

(11)

AGRADECIMEINTO

(12)

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ... vii

ABSTRACT ... viii

1. INTRODUCCIÓN9 ... 2. MARCO TEÓRICO ... 4

2.1. ENERGIA EÓLICA ... 5

2.1.1. LAS MAQUINAS EÓLICAS: ... 5

2.1.2. AEROGENERADORES: ... 5

2.2. EXTRACTOR EÓLICO DE CALOR ... 6

2.2.1. FUNCIONAMIENTO BAJO CONDICIONES DE VIENTO: ... 8

2.2.2. FUNCIONAMIENTO BAJO AUSENCIA TOTAL HIPOTÉTICA DE VIENTO: ... 8

2.3. CALOR ... 9

2.4. TURBINA ... 10

2.4.1. TURBINA RADIAL ... 11

2.5. NAVIER-SOLVER FLOW ... 11

2.6. BASE LEGAL ... 12

3. METODOLOGÍA Y DISEÑO ... 14

3.1. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO ... 16

3.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA ... 16

3.2.1. SISTEMA EÓLICO ... 16

3.2.2. SISTEMA TÉRMICO ... 17

3.3. SISTEMA EÓLICO... 18

(13)

ii

3.3.2. ÁNGULO DE ATAQUE ... 21

3.4. SISTEMA TÉRMICO ... 24

3.5. SELECCIÓN DEL MATERIAL ... 29

3.6. DISEÑO DE LA SIMULACIÓN ... 31

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 32

4.1. SIMULACIÓN EÓLICA DEL PROYECTO ... 33

4.2. SIMULACIÓN TÉRMICA DEL PROYECTO ... 38

4.2.1. EXTRACCIÓN DE CALOR ... 38

4.2.2. PRESIÓN DEL SISTEMA ... 39

4.3. ANÁLISIS DE COSTO BENEFICIO ... 42

(14)

iii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. GENERADOR DE EJE VERTICAL ... 6

Figura 2. GENERADOR DE EJE HORIZONTAL ... 6

Figura 3. EXTRACTOR DE CALOR EÓLICO ... 7

Figura 4. PRINCIPIO FUNCIONAMIENTO EXTRACTOR EÓLICO ... 7

Figura 5. EXTRACCIÓN CON VIENTO ... 8

Figura 6. EXTRACCIÓN SIN VIENTO ... 9

Figura 7. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA ... 9

Figura 8. TURBINA PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA ... 10

Figura 9. TURBINA RADIAL ... 11

Figura 10. MODELO EN "V" ... 15

Figura 11. DISEÑO EN FORMA DE PANÉMONA ... 17

Figura 12. DISEÑO TURBINA RADIAL ... 17

Figura 13. FUERZAS EN UN PERFIL AERODINAMICO ... 21

Figura 14. AREA DEL ALA POR CUERDAS ... 21

Figura 15. ÁNGULO DE ATAQUE ... 23

Figura 16. PANÉMONA PROPUESTA ... 24

Figura 17. VARIACIÓN DE PRESIÓN ... 26

Figura 18. ÁNGULO Y FORMA ÓPTIMA ... 27

Figura 19. ÁLABES MOVIELES ... 27

Figura 20. DATOS PARA ÁLABES ESTATICOS ... 28

Figura 21. CUERPO DE ÁLABES ESTATICAS ... 28

Figura 22. RODAMIENTO R0832-12 ... 30

Figura 23. DISPOSITIVO PROPUESTO ... 30

Figura 24. COMPARACION ARRANQUE . Y ESTABILIDAD 13°C, 2.02 [m/s] ... 33

Figura 25. COMPARACION DE DISPOSITIVOS 13°C, 2.02 [m/s] ... 34

Figura 26. COMPARACION ARRANQUE . Y ESTABILIDAD 13.8°C, 2.25 [m/s] ... 34

(15)

iv

Figura 28. COMPARACION ARRANQUE . Y ESTABILIDAD 14.1°C, 2 [m/s] ... 36

Figura 29. COMPARACION DE DISPOSITIVOS 14.1°C, 2 [m/s] ... 36

Figura 30. CAUDAL DISPOSITIVO ORIGINAL ... 37

Figura 31. COMPARACIÓN DE DISPOSITIVOS . EXTRAYENDO CALOR ... 38

Figura 32. PRESIÓN INTERNA DEL DISPOSITIVO A ...

. ALTAS TEMPERATURAS DE TRABAJO 45°C ... 40

(16)

v

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. TIPOS DE TRABAJO SEGUN TGBH ... 13

Tabla 2. TEMPERATURA QUITO ... 19

Tabla 3. VELOCIDADES DE VIENTO EN QUITO ... 20

Tabla 4. CÁLCULO DE POTENCIA EÓLICA ... 20

Tabla 5. FUERZA DE SUSTENTACION ... 22

Tabla 6. VARIACIÓN ENTRE LAS PRESIÓNES . INTERNAS Y EXTERNAS ... 25

Tabla 7. COMPARACION A 13°C, 2.02 [m/s] ... 34

Tabla 8. COMPARACION A 13.8°C, 2.25 [m/s]... 35

Tabla 9. COMPARACION A 14.1°C, 2 [m/s] ... 36

Tabla 10 TEMPERATURA CALCULADA PROMEDIO ... 38

Tabla 11. TORQUE ADQUIRIDO ... 41

Tabla 12. COSTOS DE PRODUCCIÓN ... 42

Tabla 13. AHORRO POR GENERACIÓN ... 43

(17)

vi

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1

(18)

vii

RESUMEN

(19)

viii

ABSTRACT

(20)
(21)

1 El continuo desarrollo tecnológico y la mayor demanda de energía requerida en los procesos industriales, hacen que la producción de energía eléctrica sea cada vez más necesaria, y cuyos métodos de obtención sean también lo bastante limpios y amigables con el entorno (energiaysociedad, 2012).

En la actualidad existen varios métodos alternativos para generar electricidad a partir de energías diferentes al uso de combustibles fósiles en termoeléctricas y la construcción de represas para plantas hidroeléctricas, pero aun con estos métodos conocidos la energía eléctrica se convierte en un recurso muy escaso “Se espera que la demanda de energía aumente considerablemente en los próximos años a causa de crecimiento demográfico y el desarrollo económico” (Energy Information Administration, 2013) por esa razón se requiere mayores fuentes de generación.

Según Erenovable (2015), dentro de los nuevos métodos de generación están el aprovechamiento de la energía eólica con campos de viento, la geotérmica que aprovecha el calor de la tierra, los campos solares en la energía fotovoltaica o chimeneas solares, el aprovechamiento de otros ciclos termodinámicos para mejorar la eficiencia de generación de procesos y plantas generadoras, entre otros métodos; intentando que todas estas vías de generación alternativa sean ambientalmente responsables y usen energías renovables en la mayoría de casos.

Para implementar métodos de generación eléctrica alternativos primero se debe considerar:

 La demanda de energía eléctrica en el lugar; existen lugares donde la demanda de energía es muy alta como, plantas operadoras y cocinas industriales entre otras, a la vez existen lugares con demandas bajas y productividad pequeña como bodegas de almacenamiento, plantas agrícolas pequeñas, sector ganadero, y áreas de trabajo artesanal.

(22)

2

 Los recursos energéticos aprovechables; se deben estudiar ciertas variables como el tiempo de exposición solar, el mapa de vientos del lugar, áreas sísmicas, actividad volcánica cercana, campos libres, y otras fuentes más.

Este proyecto trata de aprovechar las fuentes de calor residual de las plantas industriales, tales como: fundidoras, inyectoras de plásticos, hornos industriales, calderas y otros sistemas que cuenten con procesos que utilicen calor; este calor en las plantas puede generar algunas molestias en el área de trabajo, pudiendo llegar a ser incluso un riesgo laboral; por lo que en este tipo de plantas se coloca ciertos extractores de calor, el más conocido es el extractor eólico.

Según Industrias GM (2015), el extractor eólico es un mecanismo que se asemeja a un molino de viento de eje vertical, cuyas palas están establecidas de tal forma que pueda aprovechar el viento en cualquier dirección que este venga y así poder disipar el calor acumulado debajo de la cubierta de la planta, el cual es compensado naturalmente por aire fresco que ingresa por ventanas y puertas ubicadas en los estratos más bajos del recinto lo que permite una correcta ventilación del mismo; aparte de eliminar el calor también extrae vapores y residuos de humedad del interior del edificio cuando la planta está operando, así no exista viento suficiente con el calor interno el dispositivo seguirá en movimiento.

Siendo este un elemento que no requiere de un motor para funcionar, es uno de los elementos más utilizados por las empresas; en este trabajo se propone modificar su diseño para que con sus 2 fuentes de movimiento, se pueda aumentar el torque y la velocidad de giro y así implementar un generador eléctrico en su estructura y hacer un pequeño campo eólico-térmico en el techo del complejo.

(23)

3 Tomando como caso de estudio la planta procesadora de poliuretanos, accesorios y procesos industriales de ensamblajes ELASTO; ubicado en el área industrial norte del Distrito Metropolitano de Quito, cuenta con 2 galpones conjuntos de un área de 240 metros cuadrados, una altura de 12 metros en su cúpula más alta; cuenta con 20 dispositivos de extracción eólica (Aldaz V., 2011) y de los que se obtendrán los datos del presente estudio.

Para este trabajo se ha establecido el siguiente objetivo general:

 Rediseñar el dispositivo de extracción eólico de calor, con el fin de utilizar sus principios de funcionamiento, mediante el incremento de su torque y velocidad angular; que sirva como base para que en futuros estudios se pueda implementar la generación de energía eléctrica. Y los objetivos específicos serían los siguientes:

 Diseñar un sistema capaz de aprovechar la diferencia de presión interna y externa de la planta causada por el calor generado en procesos industriales como fuente alterna para mejorar la potencia mecánica del dispositivo.

 Rediseñar el dispositivo de extracción eólico de calor para aprovechar el viento que circula en el exterior de la planta a instalar, a fin de aumentar su potencia mecánica.

 Validar el diseño con el fin de comprobar su eficiencia productiva con respecto al costo de producción.

(24)
(25)

5

2.1.

ENERGIA EÓLICA

La energía eólica es una de las fuentes más abundantes y renovables en la naturaleza; proviene de la conversión del empuje de masas de aire en movimiento en impulso mecánico y luego a electricidad (Wordpress, 2015). Para conseguir esta conversión se utilizan máquinas llamadas aerogeneradores que, a través de una superficie aerodinámica expuesta al viento, producen trabajo mecánico.

Existen variados diseños aerodinámicos para adaptar distintos tipos de aerogeneradores a las condiciones climáticas de cada zona.

2.1.1. LAS MAQUINAS EÓLICAS:

Para llevar adelante estas transformaciones se utilizan distintos tipos de máquinas. Generalmente no se requieren grandes velocidades de viento para producir energía, en la mayoría de los casos los equipos están diseñados para comenzar a generar energía con velocidades del viento de unos 4,16 m/s y entregan su potencia máxima a una velocidad del orden de los 11.1 a 15.2 m/s (San Román, A., & Pérez, J., 2012).

2.1.2. AEROGENERADORES:

Existen diferentes tipos de aerogeneradores dependiendo de la utilización de la energía mecánica obtenida (opex-energy, 2004).

2.1.2.1. Eje Vertical:

(26)

6

Figura 1. GENERADOR DE EJE VERTICAL

(Energía y Tecnología Wordpress, 2015)

2.1.2.2. Eje Horizontal:

La principal desventaja de este tipo de modelo de eje horizontal apreciable en la Figura 2, radica en que toda la maquinaria y el control del aerogenerador deben ser dispuestos a gran altura y soportados por una estructura que resista el peso. Además este sistema demanda por un lado la necesidad de un importante cableado para conducir la corriente generada y las señales enviadas al sistema de control.

Figura 2. GENERADOR DE EJE HORIZONTAL

(Energía y Tecnología Wordpress, 2015)

2.2.

EXTRACTOR EÓLICO DE CALOR

(27)

7 dinámica, utilizando la fuerza del viento aumentar el tiro de la chimenea como se observa en la Figura 3 (Exovent, 2004).

Se basa en el aprovechamiento de la energía del aire en movimiento y en la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del área, local o vivienda; la turbina gira siempre en la misma dirección, independientemente de la fuerza del viento o su dirección.

Figura 3. EXTRACTOR DE CALOR EÓLICO

(Extractores Eólicos Canarias, 2009)

Se trata de un dispositivo que accionado por el viento gira produciendo en su interior una baja de presión, que en combinación con las entradas de aire, fomenta un intercambio de aire de forma permanente, como se puede ver en la Figura 4.

Figura 4. PRINCIPIO FUNCIONAMIENTO EXTRACTOR EÓLICO

(28)

8 En los momentos de disminución o falta de viento/brisa, el extractor eólico ecológico continúa promoviendo la extracción a través de la diferencia de temperatura entre el aire interno del ambiente y el aire externo, por lo tanto, la ventilación es ininterrumpida (Industrias GM, 2015). Para que se produzca la renovación deseada, es importante proveer al local, de la cantidad suficiente de ventanas, puertas, rejillas de ventilación, insufladores, etc., necesarias para provocar una circulación correcta de aire.

2.2.1. FUNCIONAMIENTO BAJO CONDICIONES DE VIENTO:

El viento fresco (flechas azules) mueve las palas del extractor, las cuales, por su diseño aerodinámico, generan una fuerza de succión en el interior del aparato, que permite la extracción del aire caliente (flechas rojas) acumulado bajo la cubierta del inmueble, como se mira en la Figura 5.

Figura 5. EXTRACCIÓN CON VIENTO

(Exovent, 2004)

2.2.2. FUNCIONAMIENTO BAJO AUSENCIA TOTAL HIPOTÉTICA DE VIENTO:

(29)

9

Figura 6. EXTRACCIÓN SIN VIENTO

(Exovent, 2004)

2.3.

CALOR

El calor es la energía transferida de un sistema a otro debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema (Gerald J. H. & Stephen G. B., 1996).

Dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura, alcanza pasado un tiempo, el equilibrio térmico (misma temperatura), este hecho se conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la Figura 7.

Figura 7. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA

(Física Lab, 2013)

(30)

10 dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura.

2.4.

TURBINA

Una turbina es una máquina motriz de flujo constante que da origen a un trabajo mecánico por medio de un sistema de paletas curvas a las cuales se les denomina álabes como se admira en la Figura 8, estas utilizan la energía térmica, cinética o de presión de fluidos; las turbinas en un sentido general son mecanismos o aparatos que mediante ellas atraviesa de manera continua un fluido, manifestando así su energía a través de un sistema de álabes (Esacademic, 2000). Es un motor rotativo que transforma en energía mecánica, aquella energía emanada de una corriente de gas, agua o vapor de agua.

Existen 2 tipos de turbinas: las turbinas axiales son aquellas que el fluido fluye de forma paralela a su eje de giro, mientras que en las turbinas axiales el fluido fluye de forma perpendicular al eje de giro.

Figura 8. TURBINA PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA

(31)

11

2.4.1. TURBINA RADIAL

Las turbinas radiales de fluido compresible, son turbo máquinas térmicas capaces de aprovechar la energía proveniente del fluido en forma de impulso rotatorio (Figura 10).

Figura 9. TURBINA RADIAL

(Fluidos.Eia, 2002)

En ella los gases fluyen radialmente en relación al eje de la máquina; son las más utilizadas para demandas pequeñas de potencia ya que conjugan una relativa sencillez constructiva con un diseñó robusto, de fácil mantenimiento y bajo costo, además pueden manejar niveles de flujo más lentos que los que podrían manejar una axial (Borja Galmés B., 2015).

2.5.

NAVIER-SOLVER FLOW

(32)

12 para casos especiales se puede hacer variaciones en las características de los mismos para mejorar resultados (Imperial College London, 2012).

2.6.

BASE LEGAL

En el año 1986 se emitió el “REGLAMENTO DE SEGURIDAD Y SALUD DE LOS TRABAJADORES Y MEJORAMIENTO DEL MEDIO AMBIENTE DE TRABAJO”, considerando “que es deber del Estado precautelar la seguridad y fomentar el bienestar de los trabajadores”, en el cual, en el capítulo V, relativo a “MEDIO AMBIENTE Y RIESGOS LABORALES POR FACTORES FISICOS, QUIMICOS Y BIOLOGICOS”, menciona:

Art. 53. “Condiciones Generales Ambientales: Ventilación, Temperatura Y Humedad.”

1. En los locales de trabajo y sus anexos se procurará mantener, por

medios naturales o artificiales, condiciones atmosféricas que aseguren

un ambiente cómodo y saludable para los trabajadores.

2. En los locales de trabajo cerrados el suministro de aire fresco y limpio

por hora y trabajador será por lo menos de 30 metros cúbicos, salvo

que se efectúe una renovación total del aire no inferior a 6 veces por

hora.

3. La circulación de aire en locales cerrados se procurará acondicionar

de modo que los trabajadores no estén expuestos a corrientes

molestas y que la velocidad no sea superior a 15 metros por minuto a

temperatura normal, ni de 45 metros por minuto en ambientes

calurosos.

5. (Reformado por el Art. 26 del D.E. 4217, R.O. 997, 10-VIII-88) Se

fijan como límites normales de temperatura °C de bulbo seco y húmedo

aquellas que en el gráfico de confort térmico indiquen una sensación

confortable; se deberá condicionar los locales de trabajo dentro de tales

límites, siempre que el proceso de fabricación y demás condiciones lo

(33)

13

6. En los centros de trabajo expuestos a altas y bajas temperaturas se

procurará evitar las variaciones bruscas.

Art. 54. Calor.

1. En aquellos ambientes de trabajo donde por sus instalaciones o procesos

se origine calor, se procurará evitar el superar los valores máximos

establecidos en el numeral 5 del artículo anterior.

2. Cuando se superen dichos valores por el proceso tecnológico, o

circunstancias ambientales, se recomienda uno de los métodos de protección

según el caso.

d) Cabinas de aire acondicionado.

e) Reformado por el Art. 29 del D.E. 4217, R.O. 997, 10-VIII-88) Se

regularán los períodos de actividad, de conformidad al (TGBH), índice

de temperatura de Globo y Bulbo Húmedo, cargas de trabajo (liviana,

moderada, pesada), conforme al siguiente cuadro:

Tabla 1. TIPOS DE TRABAJO SEGUN TGBH

TIPO DE TRABAJO LIVIANO (Inferior

a 200 [kcal/h])

MODERARO (De

200[kcal/h] a

350[kcal/h])

PESADO (Igual o

mayor a 350[kcal/h])

CONTINUO TGBH = 30.0 TGBH = 26.7 TGBH = 25.0

75% TRABAJO 25%

DESCANSO TGBH = 30.6 TGBH = 28.0 TGBH = 25.9

50% TRABAJO 50%

DESCANSO TGBH = 31.4 TGBH = 29.4 TGBH = 27.9

25% TRABAJO 75%

DESCANSO TGBH = 32.2 TGBH = 31.1 TGBH = 30.0

(34)
(35)

15 Se utilizará la metodología llamada “Modelo V” para el desarrollo de sistemas mecatrónicos, que se puede apreciar en la Figura 10.

Figura 10. MODELO EN "V"

(Verein Deutscher Ingenieure, 2004)

(36)

16 desarrollado debe estar en el ambiente para el cual fue creado, pudiendo conocer su desempeño mediante rigurosas pruebas de funcionamiento y operación, permitiendo tener la aceptación de su desarrollo.

3.1.

REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO

 Que el dispositivo pueda aprovechar la temperatura interna del lugar donde se lo aplica (42 [°C] – 45 [°C]).

 Que el dispositivo pueda soportar el clima de Quito (humedad 2% - 99% exposición UV 8 - 14).

 Elementos ligeros para que el elemento pueda moverse con el escaso viento de Quito (1.8 [m/s] – 2.25 [m/s]).

 Sea semejante al modelo original en cuanto a principio de extracción de calor y generar movimiento rotativo y que se pueda instalar en las mismas chimeneas.

 Utilizar material resistente al ambiente y corrosión.

 Dimensionar el nuevo dispositivo en un tamaño no mayor al 20% ni menor al 10% a las dimensiones del dispositivo original.

3.2.

DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA

El principio básico del funcionamiento del dispositivo es aprovechar 2 tipos de energías existentes en un mismo lugar y así poder generar energía eléctrica, por lo que el sistema se enfocará en aprovechar la mayor cantidad de potencia que pueda obtener por ambas fuentes.

3.2.1. SISTEMA EÓLICO

(37)

17

Figura 11. DISEÑO EN FORMA DE PANÉMONA

Se trabajara en modifica el álabe donde el viento impactará en función de los datos climatológicos del Distrito Metropolitano de Quito con el fin de aumentar el torque que el dispositivo pueda adquirir por medio de la fuente eólica. Utilizando la fórmula de Panknin para alas con winglets para obtener el ángulo de incidencia y el radio óptimo para aprovechar las fuerzas de arrastre y sustentación de cada alabe

3.2.2. SISTEMA TÉRMICO

Para la parte térmica el sistema se asemejará a una turbina centrífuga (Figura 12) que extrae el calor cuando la energía eólica supera la energía térmica interna, o de ser el caso opuesto, será la energía térmica interna la razón de funcionamiento del dispositivo, cuando la velocidad del viento sea demasiado baja como para generar suficiente movimiento.

Figura 12. DISEÑO TURBINA RADIAL

(38)

18 El sistema se mueve a través de un vórtice interno de aire caliente inducido por las aletas internas que empujan un conjunto de palas que harán girar la parte móvil del dispositivo.

Utilizando la variación de presión interna de la planta a causa del calor generado por las maquinas se diseñaran álabes adicionales para obtener un mayor torque y así aumentar la potencia macacina del dispositivo

Utilizando la ley de gases ideales para deducir el modelo que cumple con caso de estudio y obtener los valores para diseñar

En el diseño se procederá a ingresar los datos en una calculadora para turbinas donde se obtendrán la cantidad de álabes fijos y móviles que puedan aprovechar la presión de la planta

3.3.

SISTEMA EÓLICO

Siendo esta la mayor fuente de energía que aprovechará el dispositivo, el sistema se analizará para determinar el ángulo de incidencia y el número de álabes.

3.3.1. CÁLCULO DE POTENCIA

La Potencia Eólica es la potencia que puede proporcionar el viento, y que se puede calcular utilizando la siguiente expresión matemática (ecuación 1).

𝑃𝑒 =

𝜌∗𝐴∗𝑉𝑣2 3 [1]

Donde:

𝑃𝑒 = Potencia Eólica

𝜌= Densidad del Aire

𝐴 = Superficie frontal del aerogenerador

𝑉𝑣 = Velocidad del Viento

(39)

19 el valor, y este variará en relación a la temperatura y humedad; utilizando los datos de: presión atmosférica promedio del Distrito Metropolitano de Quito 716 [hPa] según METEOBLUE, y los valores de temperatura de la tabla 1.

Tabla 2. TEMPERATURA QUITO

TEMPERATURA QUITO 2016

MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP

[°C] T.

PROMEDIO 14.0 14.0 14.0 13.9 14.1 13.6 13.7 13.8 13.9

T. MINIMA 7.7 8.0 8.1 8.0 8.0 7.1 6.7 6.6 6.8

T. MAXIMA 20.4 20.1 20.0 19.9 20.2 20.2 20.7 21.1 21.1

(Meteoblue, 2016)

Se obtiene un valor de exacto de 0.865 [kg/m3] dato obtenido por medio de la

calculadora (dolzhnos).

Según San Román, A. y Pérez, J. (2012), una vez obtenidas la densidad de aire seco, se desprecia la humedad, para así garantizar el correcto funcionamiento del aerogenerador con un niveles bajos en densidad de casos particulares en días calurosos y relativamente secos; para determinar el área de trabajo del generador se tomará el dispositivo como si fuera un rectángulo donde la base será el diámetro del dispositivo y su altura será la dimensión vertical que el dispositivo tenga.

Usando la fórmula de área del rectángulo ecuación 2:

𝐴 =

∅ ∗ ℎ [2]

Donde:

∅ = diámetro del dispositivo

(40)

20 Entonces:

𝐴 = 260 [𝑚𝑚] ∗ 300[𝑚𝑚]

𝐴 = 78000[𝑚𝑚2]

Calculando la potencia entonces:

𝑃𝑒 =𝜌 ∗ 𝐴 ∗ 𝑉𝑣3 2

𝑃𝑒 =𝜌 ∗ 78000 ∗ 𝑉𝑣3 2

Tras obtener las mediciones de viento en el Distrito metropolitano de Quito a partir del mes de enero al mes de septiembre del año 2016, se obtiene los valores de la tabla 2.

Tabla 3. VELOCIDADES DE VIENTO EN QUITO

VELOCIDAD DE VIENTO PROMEDIO EN QUITO [m/s]

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP

2.25 2.22 1.8 2.13 2 2.02 2.22 2.25 2.16

(Meteoblue, 2016)

Usando los datos de la tabla anterior y aplicando la ecuación de cálculo de potencia, se llega a obtener los datos de la Tabla 3.

Tabla 4. CÁLCULO DE POTENCIA EÓLICA

POTENCIA CALCULADA SEGÚN VELOCIDAD DEL VIENTO [W]

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP

(41)

21

3.3.2. ÁNGULO DE ATAQUE

De acuerdo con Alfonso Cáceres Luque (2014), un aerogenerador es muy semejante a una ala y aprovecha sus fuerzas para producir movimiento, en la Figura 16 se aprecia un perfil aerodinámico donde: la fuerza D representa el arrastre o “Drag” en inglés y la fuerza L es la sustentación o “Lift”. Ambas fuerzas son el resultado de la descomposición de la fuerza F la cual es el resultado del impacto del viento con una velocidad con un ángulo de ataque sobre el álabe.

Figura 13. FUERZAS EN UN PERFIL AERODINAMICO

(RESISTENCIA AERODINÁMICA, RABFIS, 2006)

La fuerza de sustentación es la fuerza que resulta perpendicular a la fuerza con la que impacta el viento al perfil alar, lo que genera un movimiento rotacional. Dicha fuerza se calcula de la siguiente fórmula (ecuación 3).

𝐿 =

𝜌∗𝑉2∗𝐴2 ′∗ 𝑐 [3]

Donde:

𝑉 = velocidad de impacto

Para obtener el área de ala se utilizara la calculadora de área de sustentación (Carga Alar) por medio de cuerdas que utiliza el modelo como se aprecia en la Figura 14.

Figura 14. AREA DEL ALA POR CUERDAS

(42)

22 Donde:

𝑎 = cuerda máxima

𝑒 = envergadura

𝑏= cuerda mínima

En la Tabla 4 se aprecia las fuerzas máximas de sustentación obtenidas por aspa, que se generan cada mes según la velocidad del viento del Distrito Metropolitano de Quito.

Tabla 5. FUERZA DE SUSTENTACION

FUERZA DE SUSTENTACION [N]

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP

2.21E-04 2.15E-04 1.42E-04 2.00E-04 1.74E-04 1.80E-04 2.16E-04 2.21E-04 2.05E-04

Por último, están los coeficientes de Torque (ecuación 4) relacionado con el rendimiento de la turbina a razón de que es el cociente entre torque útil respecto a la proveniente del fluido.

𝐶𝑚 =

𝜌∗𝑉2∗𝑀2∗𝐴´∗ ∅ [4]

Donde:

𝑉 = velocidad de impacto

𝑀 = torque máximo de la turbina

Tomando en cuenta que L es la fuerza de sustentación y esta es igual a (ecuación 5).

𝐿 = F sin 𝛼

[5]

𝐹 =

𝐿

(43)

23 Donde:

𝛼 = ángulo de ataque

𝐹 = fuerza resultante

Como el ángulo varía con respecto al giro de la turbina entre 0° y 180°, entonces se realiza el cálculo para obtener las mayores eficiencias usando la calculadora Panknin para perfiles aerodinámicos frontales.

Por geometría los ángulos menores a 90° se encuentran en un punto donde los demás álabes con ángulos superiores impiden que el viento golpee directamente con ellas, para mejorar la eficiencia del sistema los álabes trabajaran con una incidencia de 171.37° y un radio de 70[mm] para que el dispositivo aproveche el viento de mejor manera lo que se puede apreciar en la Figura 17.

Figura 15. ÁNGULO DE ATAQUE

(44)

24

Figura 16. PANÉMONA PROPUESTA

3.4.

SISTEMA TÉRMICO

En esta parte es donde se aprovecha la energía que la planta desecha en forma de calor residual al ambiente, se aprovecha la diferencia de presión obtenida por las diferentes temperaturas (interna y externa), explicado en la fórmula de gases ideales (ecuación 6)

𝑃𝑓∗𝑉𝑓

𝑇𝑎

=

𝑃𝑐∗𝑉𝑐

𝑇𝑖 [6]

Donde:

𝑃𝑓 = presión de aire frio

𝑉𝑓 = volumen del aire en frio

𝑇𝑎 = temperatura ambiente o externa

𝑃𝑐 = presión de aire caliente

𝑉𝑐 = volumen de aire caliente

𝑇𝑖 = temperatura interna del ambiente de trabajo

(45)

25

𝑉𝑓 = 𝑉𝑐

Entonces:

𝑃𝑓

𝑇𝑎

=

𝑃𝑐

𝑇𝑖

Como se conoce la presión externa que sería la presión en frio o temperatura ambiente; la presión en caliente o presión interna, sería la relación entre las diferencias de temperaturas interna y externa, dejando la siguiente relación

𝑃𝑐 =

𝑃𝑓 ∗ 𝑇𝑎

𝑇𝑖

Tomando como presión ambiente 716[hPa], entonces la relación nos daría los siguientes resultados (Tabla 5):

Tabla 6. VARIACIÓN ENTRE LAS PRESIÓNES INTERNAS Y EXTERNAS

TABLA DE PRESIÓNES SEGÚN TEMPERATURAS

ENERO FEB RERO MARZO AB RIL MAY O JUNIO JULIO AGOS TO SE PTI EMB RE

Pf 716 716 716 716 716 716 716 716 716 [hPa]

Ti 42 45 45 44 45 43 44 45 45 [°C]

Ta 14 14 14 13.9 14.1 13.6 13.7 13.8 13.9 [°C]

Pc 2148 2301.43 2301.43 2266.47 2285.11 2263.82 2299.56 2334.78 2317.99 [hPa]

(46)

26

Figura 17. VARIACIÓN DE PRESIÓN

Relacionando el sistema a una turbina radial se procede a trabajar el sistema de álabes móviles que se colocarán en la panémona con el fin de aprovechar el calor generado por las máquinas para aumentar la eficiencia eólica.

Para tomar el cálculo de incidencia se utilizó el software (Steam Turbine Calculator/sugartech) en donde se colocaron: el estilo de turbina, las características específicas de la misma, los valores de temperatura, presión, el fluido y sus características para que obtenga el índice óptimo de aprovechamiento térmico.

Como datos de entrada se utilizan los valores de presión y temperatura en el inlet (entrada) donde se colocara la temperatura medida más baja de trabajo en la planta y su presión interna, se ingresa la presión en el outlet (salida) de la turbina donde se colocará la presión atmosférica o presión externa de la planta; se empleará la potencia con la que la turbina trabajará, la cantidad de álabes móviles y estacionarios, sus dimensiones y las características del fluido que circula por ella.

Tras los cálculos se obtuvo el ángulo de incidencia (42.72°) y el radio óptimo (30 [mm]) para los álabes móviles apreciable en la Figura 18.

1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650

1 2 3 4 5 6 7 8 9

(47)

27

Figura 18. ÁNGULO Y FORMA ÓPTIMA

En la Figura 19 se aprecia el estilo de álabes móviles que tiene el sistema y la forma que estas adquirirán en la panémona, en donde se imitó el mismo número de alabes que las palas eólicas para su funcionamiento correcto y un flujo continuo.

Figura 19. ÁLABES MOVIELES

(48)

28 aprecia en la Figura 20, obteniendo los ángulos de incidencia (34.1° para aspa interna y 51.44° aspa externa), ángulo de paso (17° aspa interna y 21° aspa externa) y los radios de los álabes (30 [mm] aspa interna y 15 [mm] aspa externa).

Figura 20. DATOS PARA ÁLABES ESTATICOS

Tras modelar los álabes estacionarios y a razón de no perder presión por igualdad geometría o tener pulsos del mismo se procedió a disminuir el número de álabes a 24 obteniendo así una pieza semejante a la Figura 23.

(49)

29

3.5.

SELECCIÓN DEL MATERIAL

El sistema original está realizado en material de aluminio 1060 H18, endurecido por deformación, siendo este un material resistente a la corrosión y muy ligero.

El sistema propuesto puede ser construido en fibra de carbono, aluminio A356 y 1060 H8 para su producción, se revisará las propiedades de estos materiales para seleccionar el más óptimo, para el funcionamiento específico.

PROPIEDADES ALUMINIO

1060 H18

ALUMINIO

A356

FIBRA DE

CARBONO

Elastic Modulus [N/m2] 6.9e+010 7.24e+010 2.28e+010

Poisson's Ratio [N/A] 0.33 0.33 0.1

Shear Modulus [N/m2] 2.6e+010 2.72e+010 5.02e+010

Mass Density [kg/m3] 2705 2680 1903

Tensile Strength [N/m2] 130000000 145000000 350000000

Yield Strength [N/m2] 125000000 152000000 N/a

Thermal Expansion Coefficient [N/m2] 2.36e-005 2.14e-005 2.15e-005

Thermal Conductivity [W/(m·K)] 230 167 20

Cost Low Low High

(ACP, 2014)

La fibra de carbono aun siendo el que mejores propiedades posee es el material más caro de los 3, su manufactura en comparación con el aluminio también es demasiado costosa y por su falta de disponibilidad en la nación aumentarían los costos por importe, por esas razones es descartado.

(50)

30 a este como material para producción, también siendo este un material que se encuentra con más facilidad en el país.

En cuanto al rodamiento seleccionado se utilizará el mismo rodamiento sellado de nylon R0832-12 (Figura 22)

Figura 22. RODAMIENTO R0832-12

(Solidrop, 2015)

Este elemento se utiliza en el dispositivo original, a razón de su tolerancia a esfuerzos semejantes, alta resistencia al desgaste, bajo índice de fricción y peso reducido.

Una vez diseñado y ensamblado el dispositivo el producto final se lo observaría en la figura 23.

Figura 23. DISPOSITIVO PROPUESTO

(51)

31

3.6.

DISEÑO DE LA SIMULACIÓN

Como el software de simulación depende su mallado del número de pixeles que puede generar un mapa de bits y su calidad se trabajara con una imagen de 1168x608 pixeles.

La imagen será una proyección vertical del dispositivo ensamblado, donde los álabes tengan la cuerda más larga (en su parte media).

Las características de los fluidos serán las del aire en el Distrito Metropolitano de Quito donde se colocaran 2 fuentes de flujo:

La primera a una velocidad que variara entre 1.8 [m/s] y 2.25 [m/s] que corresponden a los meses de menor y mayor cantidad de viento respectivamente, una presión atmosférica de 716 [hPa] y las temperaturas que van desde 13.6 [°C] a 14.1 [°C].

(52)
(53)

33

4.1.

SIMULACIÓN EÓLICA DEL PROYECTO

Con la ayuda de un software de simulación de fluidos (Navier-Solver Flow Ilustrator), útil para comparar resultados entre el dispositivo original y el dispositivo diseñado; se trabaja insertando un modelo gráfico y las condiciones de entorno: temperatura, densidad, velocidad del fluido, etc.; parámetros con los cuales calculará los diferentes flujos.

En la primera simulación se utilizarán los datos obtenidos en el mes más frio (junio) para ver los resultados.

En las imágenes se puede observar como el dispositivo trabajaría ante una ráfaga de viento a una temperatura de 13.6 [°C] y una velocidad lenta de 1.8 [m/s], el viento impactará al dispositivo por la parte derecha.

Se puede apreciar un inicio de turbulencia en la parte posterior de impacto con los 2 remolinos de aire que se generan tanto en la parte superior e inferior derecha de aire caliente (rojo) y aire frio (verde) en la Figura 24 en la que se distingue un flujo turbulento en la sección izquierda y un flujo estable en la parte derecha.

Figura 24. COMPARACION ARRANQUE Y ESTABILIDAD 13°C, 2.02 [m/s]

Al estabilizarse extrae poca cantidad de calor y la resistencia del viento en el área inferior del impacto es bastante alta como para generar movimiento suficiente.

(54)

34

Figura 25. COMPARACION DE DISPOSITIVOS 13°C, 2.02 [m/s]

La resistencia del viento es inferior en 4% según lo indican las simulaciones en relación al torque y la velocidad angular como se aprecian en la Tabla 7.

Tabla 7. COMPARACION A 13°C, 2.02 [m/s]

DISP. ORIGINAL DISP. PROPUESTO

VELOCIDAD ANG. [RPM] 353 368

TORQUE [Nm] 0.086 0.082

En la segunda simulación, se utilizará el mes más ventoso (agosto).

El dispositivo trabajaría ante una ráfaga de viento a una temperatura de 13.8 [°C] y una velocidad de 2.25 [m/s]; el viento impactará al dispositivo por la parte izquierda: en la Figura 28 se comparan a la izquierda un flujo turbulento donde se puede apreciar una cantidad muy grande de turbulencia en la parte posterior de impacto con 2 grandes remolinos de aire, uno de aire caliente (rojo) y otro de aire frio (verde), y a la derecha un flujo estable que extrae una mayor cantidad de calor que la simulación anterior y la resistencia de viento en el área inferior del impacto es bastante alta para generar movimiento suficiente.

(55)

35 También se puede apreciar un indicio de turbulencia en la parte izquierda de la turbina en la parte del impacto, lo que aumenta la presión en la parte interna y por tanto también genera más turbulencia interna, ayudando a despejar más calor, que en la figura 28.

Figura 27. COMPARACION DE DISPOSITIVOS 13.8°C, 2.25 [m/s]

Comparamos el flujo de la simulación del dispositivo original bajo las mismas condiciones, la simulación revela que la eficiencia en relación al torque y velocidad angular adquirida por resistencia al viento es menor en 12% respecto al sistema rediseñado como lo señalan los datos de la Tabla 8.

Tabla 8. COMPARACION A 13.8°C, 2.25 [m/s]

DISP. ORIGINAL DISP. PROPUESTO

VELOCIDAD ANG. [RPM] 361 410

TORQUE [Nm] 0.093 0.105

En la tercera simulación, se utilizarán los datos del mes más caluroso (Mayo). El dispositivo trabajaría ante una ráfaga de viento a una temperatura de 14.1 [°C] y una velocidad de 2 [m/s], el viento impactará al dispositivo por la parte izquierdo.

(56)

36 corrientes de aire caliente y frio, no se llegan a estabilizar en el trascurso del flujo, por lo que la turbulencia entre las palas genera pérdidas en el movimiento.

Figura 28. COMPARACION ARRANQUE Y ESTABILIDAD 14.1°C, 2 [m/s]

Comparando los dispositivos en la figura 31, se aprecia que el flujo de la simulación del dispositivo original bajo las mismas condiciones trabaja de una manera más eficiente en cuanto a extraer calor.

Figura 29. COMPARACION DE DISPOSITIVOS 14.1°C, 2 [m/s]

Pero su eficiencia en cuanto a resistencia al viento es menor en torque y velocidad angular, las turbulencias pequeñas que fluctúan de forma interna disminuyen la extracción de calor con respecto a las simulaciones anteriores incluso las del dispositivo original como se ve en la Tabla 9.

Tabla 9. COMPARACION A 14.1°C, 2 [m/s]

DISP. ORIGINAL DISP. PROPUESTO

VELOCIDAD ANG. [RPM] 356 363

(57)

37 Comparando las simulaciones anteriores, se analiza los datos adquiridos de la turbina por su resistencia al viento, se obtiene valores de torque y velocidad angular que van desde 0.083 [Nm] y 363 [RPM] en mayo hasta 0.105 [Nm] y 410 [RPM] en agosto, datos aproximados a alcanzar de forma eólica, que en comparación con el dispositivo original son de 0.081 [Nm] y 356 [RPM] en mayo hasta 0.093 [Nm] y 361 [RPM] en agosto.

Para tomar en cuenta el caudal con el que va a extraer calor el dispositivo rediseñado, se revisa el caudal de extracción del dispositivo original que va en relación a la velocidad del viento (Figura 34), que va desde 2500 metros cúbicos por hora a 5500 metros cúbicos por hora.

Figura 30. CAUDAL DISPOSITIVO ORIGINAL

(EXOVENT, 2004)

Tomando en cuenta que la velocidad del viento promedio en Quito va desde 6.5 [km/h] o 1.8 [m/s] hasta 8.1 [km/h] o 2.25 [m/s], se deduce que la extracción del sistema original debe ser de 3800 a 4000 metros cúbicos por hora.

(58)

38

4.2.

SIMULACIÓN TÉRMICA DEL PROYECTO

Con ayuda de un software de simulación de fluidos, flujos térmicos y disipación térmica, es apreciable tanto la eficiencia de calor que puede aprovechar el dispositivo por la presión de aire interna de la planta industrial, como la cantidad de calor expulsada de la misma para obtener un ambiente seguro y bien ventilado.

4.2.1. EXTRACCIÓN DE CALOR

En la siguiente simulación, se colocará el dispositivo rediseñado con un factor promedio de temperaturas ambientes y temperaturas internas de la planta industrial, adicionalmente se integrará un flujo de aire desde la parte izquierda de la turbina, como en las simulaciones eólicas.

Tabla 10 TEMPERATURA CALCULADA PROMEDIO

TEMPERATURA PROMEDIO INTERNA [°C] 44.22

TEMPERATURA PROMEDIO EXTERIOR [°C] 13.89

Observando la Figura 35, se aprecia como el calor de la planta se mantiene dentro del dispositivo, al rediseñar el sistema y colocar sistemas de aprovechamiento de presión en el dispositivo, el sistema rediseñado no logra extraer el calor de forma tan eficiente como lo hace el sistema original.

Figura 31. COMPARACIÓN DE DISPOSITIVOS EXTRAYENDO CALOR

(59)

39 arremolinamientos de aire caliente en algunas zonas externas del dispositivo, debido a que el aire caliente fuga con presión generando esa turbulencia. Se puede apreciar también un acumulamiento de calor en la parte central del dispositivo, al existir entre los álabes del sistema espacios por donde el calor escapa al ambiente, este se disipa muy rápido por ser cantidades muy pequeñas entre espacios angostos, a diferencia de otros sitios en los que las aberturas entre álabes es mayor y el calor fuga en mayor cantidad (como se aprecia en la zona interna derecha, en la zona interna inferior izquierda y en la zona interna superior derecha del dispositivo) por lo que la planta podría subir de 2 [°C] a 3[°C] por la acumulación de aire caliente.

Comparando las simulaciones de los dispositivos rediseñado y original bajo las mismas condiciones, se observa:

Se aprecia que el dispositivo original tiene una mejor salida de calor que el dispositivo rediseñado, en la zona derecha de la figura se observa que el calor que sale es tan alto que se disipa fuera del dispositivo.

El arremolinamiento de aire que se aprecia en la zona inferior de la figura es debido al flujo de aire externo; adicionalmente se observa el foco de calor en la zona interna como un círculo deformado por la entrada de aire frio, generando esa figura en el foco más incandescente.

4.2.2. PRESIÓN DEL SISTEMA

La presión que se genera internamente en el dispositivo rediseñado depende únicamente de la temperatura interna de la planta de trabajo y de que en el exterior del lugar exista una temperatura relativamente baja.

(60)

40 En la simulación se utilizó la temperatura interna más alta que se puede dar en el interior de la planta (45 [°C]) y de temperatura ambiente se utilizará la temperatura más frecuente (14 [°C]).

En la Figura 36, se visualiza como la presión es sumamente alta en la zona interna del dispositivo, a medida que pasa por los álabes estacionarias la presión disminuye significativamente.

Figura 32. PRESIÓN INTERNA DEL DISPOSITIVO A

ALTAS TEMPERATURAS DE TRABAJO 45°C

Se puede apreciar también que la presión aumenta en la zona interna y media de los álabes eólicos, siendo este el principio que ayuda a generar movimiento al sistema; simultáneamente al aire que fuga, la presión disminuye hasta llegar a la presión atmosférica o presión ambiente.

En la siguiente simulación se utilizará la temperatura interna más baja (42[°C]), manteniendo la temperatura externa más frecuente a lo largo del estudio (14[°C]).

(61)

41 simulación, esto sucede también con el dispositivo original al agregar más peso debido a los álabes adicionales.

Figura 33. PRESIÓN INTERNA DEL DISPOSITIVO A

BAJAS TEMPERATURAS DE TRABAJO 42°C

Al comparar los 2 casos como se aprecia en la Tabla 11, estos funcionan manteniendo el calor y aprovechando la presión generada por el mismo, el primer caso es mucho más eficiente que el segundo con tres grados centígrados menos aproximadamente.

Tabla 11. TORQUE ADQUIRIDO

Δ TEMP [°C] TORQUE [Nm] Δ PRES [hPa]

31 0.04 / 0.045 1554.4

28 -0.002 / -0.02 1404

(62)

42

4.3.

ANÁLISIS DE COSTO BENEFICIO

Para este estudio se considerará el proceso de adquisición, fabricación y ensamble del dispositivo, sus costos relativos y se contemplará la cantidad de energía que pueden producir para recuperar la inversión realizada.

El material necesario para la construcción de un dispositivo rediseñado tiene un costo aproximado entre 124.00 USD y 135.00 USD.

La licitación de manufactura del elemento: maquinado y trabajos necesarios para la fabricación de las piezas del dispositivo requieren una cantidad aproximada de 850.00 USD que incluye: corte, matricería, torneado y fresado de algunas piezas.

Antes del ensamblaje del dispositivo rediseñado se requiere de procesos de maquinado, nivelado y balanceado especial de los álabes del dispositivo, para este trabajo se requiere un tiempo de 27 horas de trabajo, considerando el valor de hora/hombre, la cifra necesaria está entre 18.00 USD y 22.00 USD. Una vez terminado el trabajo anterior se requiere ensamblar el sistema, para esto se utilizan sueldas especiales para el material a utilizar (aluminio), el costo estimado de este trabajo es de 230.00 USD.

La producción de un dispositivo rediseñado, asciende a la cantidad entre 1690.00 USD y 1809.00 USD como se mira en la Tabla 10; la adquisición de un dispositivo original tiene un precio en el mercado entre 150.00 USD y 200.00 USD, que es significativamente inferior al anterior.

Tabla 12. COSTOS DE PRODUCCIÓN

ESTIMADO MÁXIMO ESTIMADO MÍNIMO

MATERIAL $ 124.00 135.00

MANUFACTURA $ 850.00 850.00

BALANCEADO $ 486.00 594.00

ENSAMBLADO $ 230.00 230.00

(63)

43 Se debe considerar que si se decide la utilización de este nuevo dispositivo la producción a escala reduciría considerablemente el costo. Caso que ya se cumple con el dispositivo original.

Según la Empresa Eléctrica Quito (2016), el precio en el Distrito Metropolitano de Quito es de 0.088$ el kilowatt hora en el sector comercial e industrial por lo que el ahorro energético en la planta suponiendo que la planta trabaje 8 horas continuas con temperaturas internas altas por 20 días al mes y la potencia mecánica no tuviera perdidas, se asemejaría a los datos de la Tabla 11.

Tabla 13. AHORRO POR GENERACIÓN

CONDICIONES GENERACIÓN [kW] AHORRO [$]

MÁXIMAS 6.24 0.549

MÍNIMAS 16.48 1.45

(64)
(65)

45

CONCLUSIONES

 El sistema rediseñado eólicamente genera una mejora en el torque y la velocidad angular con relación al dispositivo original, originada exclusivamente por la fuente eólica en un 4% a 12% aproximadamente según las condiciones, concluyendo que el sistema cumple con el objetivo de aumentar la potencia mecánica con respecto al rediseño eólico.

 El sistema diseñado para aprovechar el residuo calórico del sistema puede aumentar el torque del sistema cuando la planta está trabajando a altas temperaturas (superiores a 44 grados Celsius) y el exterior está a temperaturas más bajas (inferiores a 14 grados Celsius) llegando a aumentar la potencia mecánica del dispositivo; cumpliendo con el objetivo de aprovechar los residuos calóricos con el fin de apoyar a mejorar la potencia mecánica del dispositivo

 El material seleccionado aluminio A356, es lo suficientemente ligero como para disminuir el peso del conjunto al peso relativo del sistema original, su resistencia mecánica, es de bastante utilidad para evitar deformaciones significativas al recibir la carga del viento, y su capacidad de soportar cargas dinámicas se puede comprobar en sus aplicaciones como la producción de aros de vehículos.

 Las características de la fibra de carbono como material para la construcción del dispositivo habrían sido las mejores, pero su alto precio, la falta de mano de obra y manufactura calificada en el país lo descartan.

(66)

46 tomar como despreciables al ser aproximadamente 100 veces menor que el peso del dispositivo.

 El dispositivo no extrae suficiente calor como el dispositivo original, su valor de extracción se asemeja del 65% a 80% de capacidad del dispositivo original, por lo que se cumple el objetivo de contribuir con un ambiente laboral seguro al mantenerse dentro de los límites marcados por la ley de seguridad.

 En función al objetivo de validar la eficiencia productiva del dispositivo con respecto producirlo, el costo de producción del dispositivo es demasiado alto con respecto al ahorro energético generado.

RECOMENDACIONES

 El dispositivo propuesto mejora la potencia mecánica del dispositivo original, por lo que se recomienda en futuros estudios, adicionar un sistema de generación eléctrica lo suficientemente eficiente como para aprovechar la energía de las fuentes que el sistema utiliza.

 El dispositivo propuesto no puede aprovechar la mayor cantidad de presión generada por residuos calóricos de la planta en estudio, por lo que se recomienda aplicarla en plantas con mayor calor residual en sus procesos y en el mejor de los casos, ese calor debe ser conducido a chimeneas de fuga donde se pueda instalar el sistema para obtener mejores resultados.

(67)

47

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