Optimización de un Sistema de
Pico-Generación Hidroeléctrica
Carlos Alberto Pinto Romero
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería mecánica
Bogotá D.C., Colombia
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Optimización de un Sistema de
Pico-Generación Hidroeléctrica
Proyecto de Grado
Carlos Alberto Pinto Romero
Asesor
Álvaro Enrique Pinilla, PhD, MSc.
Bogotá D.C., Colombia
Junio 2015
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Resumen
Este documento presenta el proceso de optimización en la transformación de energía de un pequeño sistema de pico-generación hidroeléctrica. Este tipo de sistema está compuesto principalmente por dos componentes: una turbina y un generador eléctrico. Con el fin de simular el flujo de agua en el laboratorio se utilizó un montaje con una tubería de 2 pulgadas de diámetro, de modo que se pueda estudiar el comportamiento del sistema de pico-generación. A su vez, se hizo usó de una turbina Kaplan y un pequeño motor eléctrico de imanes permanentes como generador eléctrico, ello debido a que no se encuentran comercialmente generadores que operen con una potencia mecánica tan baja (cercana a los 28W).
Al inicio del proyecto, el montaje del sistema de pico-generación hidroeléctrica tenía una manguera que dirigía el flujo de agua hacia la turbina. Ésta ocasionaba altas vibraciones y detenimiento súbito de la rotación debido a las fuerzas radiales causadas por la acumulación de agua en su interior e irregularidad en el caudal. Esto impedía la replicabilidad de los resultados y el análisis de los mismos, por ello se decidió cambiar dicha manguera por tubería de PVC. Posteriormente, se evaluó la eficiencia en la transformación de energía, encontrando el punto de mejor operación a 3.8 L/s, donde se convertía un 24% de la energía hidráulica en energía eléctrica. Asimismo, se evaluó el rendimiento de la turbina hidráulica, encontrando una eficiencia máxima del 41% a casi 4 L/s.
Teniendo en cuenta que las turbinas axiales presentan eficiencias entre el 80 y el 90% y que la turbina caracterizada fue diseñada bajo otros parámetros de cabeza, caudal y velocidad de rotación, se dispuso hacer una nueva turbina hidráulica. Esta nueva turbina se diseñó para un caudal de 4 L/s, una cabeza de 1.2 m y una velocidad de rotación de 2 500 rpm de modo que alcanzase una eficiencia teórica de conversión de energía hidráulica a mecánica del 89%. Luego se realizó el modelo CAD de la turbina y se manufacturó en los laboratorios de la Universidad de los Andes en el centro de mecanizado. A su vez, se decidió mejorar el sistema de transmisión con el fin de disminuir las vibraciones sobre el eje. Para ello se adicionó un buje de bronce fosforado que junto al rodamiento disminuyeron notoriamente las vibraciones en el eje de transmisión.
Finalmente, se realizaron pruebas con la nueva turbina y con tres motores usados como generadores eléctricos. Para el mejor motor se encontró una eficiencia máxima global (de conversión de energía hidráulica a eléctrica) de aproximadamente el 33% y una eficiencia de la turbina del 50%. Teniendo en cuenta que se esperaba una mayor eficiencia de la turbina y, a su vez, del sistema global, se hizo un análisis de pérdidas en la tubería donde, para el punto de mejor
4 operación del sistema, se encontró que se pierde aproximadamente el 20% de la energía por fricción y accesorios. Por consiguiente, para disminuir dichas pérdidas de energía y aumentar la eficiencia, se propone diseñar una turbina que opere a un caudal más bajo y que rote a menor velocidad con un mayor torque.
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Agradecimientos
Principalmente a mis padres y hermanos por apoyarme incondicionalmente y por todas sus enseñanzas.
A mis primas Gladys y Elsa Yhamá por apoyarme en Bogotá durante mi carrera universitaria.
Al profesor Álvaro Pinilla por sus enseñanzas tanto académicas como integrales.
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Índice
Resumen ... 3
Índice ... 6
Lista de Gráficas ... 8
Lista de Ilustraciones ... 9
Lista de Tablas ... 10
Nomenclatura ... 11
Antecedentes ... 12
Introducción ... 12
Objetivo ... 13
Marco Teórico ... 13
Turbina Axial ... 13
Generador Eléctrico ... 14
Diagnóstico Inicial del Sistema ... 15
Caracterización Inicial del Sistema ... 17
Modificaciones Iniciales al Sistema ... 20
Diagnóstico 2 del sistema ... 21
Caracterización del sistema ... 22
Diseño Turbina Axial ... 25
Diseño del Cuerpo Rankine ... 31
Manufactura de la Turbina Axial ... 32
Modificaciones al Soporte de los Rodamientos ... 33
Diagnóstico 3 del Sistema ... 33
Caracterización del Sistema ... 34
Selección de un Motor como Generador ... 35
Análisis de Pérdidas de Energía en Tubería ... 36
Análisis de Perdidas en el Montaje... 38
Conclusiones ... 38
Recomendaciones ... 39
Bibliografía ... 40
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Descripción de los Instrumentos de Medición ... 41
Memoria de Cálculo de Turbina Axial ... 42
8
Lista de Gráficas
Gráfica 1. Eficiencia global del sistema. ... 19
Gráfica 2. Eficiencia de la turbina vs Caudal. ... 22
Gráfica 3. Potencia Hidráulica vs Caudal. ... 23
Gráfica 4. Potencia Mecánica vs Velocidad de Rotación. ... 23
Gráfica 5. Eficiencia global vs Caudal. ... 24
Gráfica 6. Eficiencia de la nueva turbina vs Caudal. ... 34
Gráfica 7. Eficiencia global del sistema vs Caudal. ... 34
Gráfica 8. Eficiencia global con motores Duarte y Sierra vs Caudal. ... 36
Gráfica 9. Porcentaje de pérdidas. ... 37
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Lista de Ilustraciones
Ilustración 1. Diagrama de fuerzas sobre el perfil aerodinámico (Pinilla, 2012). ... 14
Ilustración 2. Montaje del sistema de pico-generación inicial. ... 15
Ilustración 3. Instrumentos de medición (especificaciones de los instrumentos incluidos en los anexos) ... 17
Ilustración 4. Conexión de la resistencia y puntos de medición. (Hyper Solutions, 2011). ... 18
Ilustración 5. Motor Eléctrico usado como generador (Duarte, 2014). ... 19
Ilustración 6. Codo de PVC. ... 21
Ilustración 7. Disco del Freno Prony. ... 21
Ilustración 8. Montaje del sistema de pico-generación hidroeléctrica con tubería de PVC y Freno Prony. ... 22
Ilustración 9. Diagrama de Cordier. ... 26
Ilustración 10. Diagrama de velocidades en un elemento de aspa. ... 28
Ilustración 11. Geometría del perfil Eppler 62. ... 29
Ilustración 12. Geometría del perfil GOE 417 A. ... 30
Ilustración 13. Modelo CAD de la nueva turbina axial. ... 31
Ilustración 14. Ecuaciones para el diseño de un cuerpo de Rankine. ... 31
Ilustración 15. Modelo en CAD del Cuerpo Rankine de ataque y fuga sobre la turbina. ... 31
Ilustración 16. Mecanizado de la turbina axial. ... 32
Ilustración 17. Turbina axial mecanizada. ... 32
Ilustración 18. Modificaciones al soporte de rodamientos. ... 33
Ilustración 19. Motores eléctricos. ... 35
Ilustración 20. Memoria de cálculo del diseño de una turbina axial. ... 42
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Lista de Tablas
Tabla 1. Componentes del montaje del sistema de pico-generación. ... 17
Tabla 2. Problemas ocasionados por la manguera. ... 20
Tabla 3. Parámetros de diseño de la turbina (Sierra). ... 24
Tabla 4. Parámetros iniciales para el diseño de una turbina axial. ... 27
Tabla 5. Propiedades aerodinámicas de los perfiles GOE 417A y Eppler 62. (Airfoiltools, s.f.) ... 29
Tabla 6. Resultados del diseño de la turbina... 30
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Nomenclatura
𝐵: Número de aspas. 𝐷: Diámetro Turbina [m]
𝑔: Aceleración de la gravedad [m/s2] ℎ: Cabeza de presión [m]
𝐼: Corriente [A] 𝑝: Presión [Pa] 𝑃: Potencia [Watt]
𝑃𝑒: Potencia Eléctrica [Watt] 𝑃ℎ: Potencia Hidráulica [Watt] 𝑃𝑚: Potencia Mecánica [Watt] 𝑄: Caudal [m3/s]
𝑇: Torque [Nm]
𝑈∞ : Velocidad del fluido en el plano del rotor. 𝑉:Voltaje [V]
𝜌: Densidad del agua. 𝜂𝑔: Eficiencia Global 𝜂𝑚: Eficiencia Mecánica 𝜔: Velocidad angular [RPM]
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Antecedentes
En Universidad de los Andes se inició este proyecto en el año 2013 con Juan Sierra, durante su proyecto se quiso estudiar el aprovechamiento de energía hidráulica disponible en pequeños ríos o afluentes. Para este proyecto no se pretendía un sistema que aprovechara eficientemente la energía, sino uno que fuera capaz de entregar 20 W sin importar que fuera necesario sacrificar la eficiencia. Posteriormente, Pedro Duarte si se preocupó por la eficiencia del sistema, y ello se evidencia en que, además de mejorar el montaje de pruebas, decidió caracterizar dos motores eléctricos para ser usados como generadores eléctricos encontrando que uno de estos era superior, en términos de eficiencia, al que se tenía inicialmente en el proyecto de Sierra. Subsiguientemente, Natalia Suarez se enfocó en mejorar el montaje de pruebas puesto que existían puntos específicos donde se generaban grandes pérdidas de energía, para ello estudió el efecto de algunas modificaciones en el montaje de pruebas.
Introducción
La energía es en la actualidad un recurso necesario para el desarrollo de la mayoría de las actividades humanas. Según la agencia internacional de energía, las principales fuentes utilizadas a nivel mundial para la generación energía son el petróleo (44%), gas natural (24%), hidroeléctricas (12%), carbón (10%) y biomasa (9%). Dichas fuentes son usadas generalmente para convertir cualquier forma de energía en energía eléctrica, puesto que es la forma de energía más fácil de transportar(a través de cables de cobre) y la mayoría de máquinas tienen como energía de entrada la electricidad. Este tipo de energía es de gran importancia para la humanidad puesto que ha impulsado el desarrollo de la mayoría de sectores, desde lo rural hasta lo industrial.
Sin embargo en Colombia, a pesar de su importancia en el desarrollo, la energía eléctrica no es entregada a la totalidad de sus habitantes. Según datos de José Antonio Vargas Lleras, presidente de Codensa (una de las más importantes empresas comercializadoras y distribuidoras de energía eléctrica del país), hay al menos dos millones habitantes que no cuentan con suministro de electricidad (Chacón, 2014), los cuales se concentran en zonas apartadas del país.
Teniendo en cuenta que los habitantes de estas zonas no requieren alta demanda de energía para cumplir necesidades básicas de iluminación nocturna y comunicación, en la Universidad de los Andes se planteó el uso de pequeños sistemas de generación de energía a escala pico. Colombia cuenta con la ventaja de ser un país rico en recursos hídricos, y es por ello que se hace atractiva la idea
13 de extraer energía de pequeños saltos de agua (entre uno y dos metros) para convertirlos energía eléctrica por medio de pequeños generadores. El proceso consiste en utilizar una turbina que absorba energía hidráulica del fluido y la transforme en energía mecánica rotacional hacia un eje que se conecta al pico-generador eléctrico. Este movimiento genera una fuerza electromotriz sobre generador que finalmente crea energía eléctrica.
Objetivo
Teniendo en cuenta que este proyecto de grado sucede luego del trabajo realizado por Juan Sierra, Pedro Duarte y Natalia Suarez (ver antecedentes), se enfocará este estudio en aumentar la eficiencia del sistema, por lo tanto, será necesario caracterizar y rediseñar el sistema de pico-generación hidroeléctrica. Para ello es necesario mejorar el diseño del montaje de pruebas para disminuir perdidas de energía. Además, hay que diseñar, manufacturar y caracterizar una turbina axial que aumente la eficiencia de transformación de energía hidráulica a mecánica y, finalmente, seleccionar un motor que actúe como pico-generador para aumentar la eficiencia de transformación de energía mecánica a eléctrica.
Marco Teórico
Turbina Axial
Una turbina axial es una maquina mecánica que convierte energía hidráulica en energía mecánica. El diseño de la turbina axial se inicia con el uso del diagrama de Cordier, para ello se determina la velocidad específica (𝑁𝑄) y el diámetro específico (Δ) con tal de que esta coordenada quede sobre la curva de mejor eficiencia.
𝑁𝑄 = 𝑛 √𝜋√2 √𝑄
(𝑔ℎ)34
Δ =𝜋
1 2
234
𝐷(𝑔ℎ)
1 4
√𝑄
Dicho diagrama fue creado originalmente para que los diseñadores escojan la mejor turbomáquina de acuerdo a los valores de 𝑁𝑄y Δ. Para el caso de este proyecto se desea diseñar una turbina Kaplan, por lo tanto se espera que el valor de la velocidad específica se encuentre entre 0.8 y 3.4, mientras que el diámetro específico esté entre 1 y 2 aproximadamente.
14 Posteriormente se procede a realizar un análisis de elemento de aspa y de momentum angular como se presenta en el “Análisis Simplificado de Diseño de Turbina Axial” escrito por el asesor de este proyecto: Alvaro Pinilla (2012). Dicho análisis se realiza con el fin de conocer la geometría de las aspas de la turbina y calcular la cantidad de energía mecánica que puede transformar la turbina a partir de energía hidráulica. Para ello, se hace un análisis aerodinámico sobre elementos infinitesimales de las aspas de la turbina.
Ilustración 1. Diagrama de fuerzas sobre el perfil aerodinámico (Pinilla, 2012).
En la anterior ilustración se pueden ver las fuerzas que actúan sobre un elemento de aspa. Las fuerzas 𝑑𝐹𝑥 y 𝑑𝐹𝑡 son diferenciales de fuerza axial y tangencial respectivamente, mientras que 𝑑𝑙 y 𝑑𝑑 se refiere a las fuerzas de sustentación y arrastre respectivamente. Todas estas fuerzas son las que actúan sobre un aspa y generan el movimiento de la turbina.
*Nota: se recomienda ver la sección: Diseño Turbina Axial en la página 25.
Generador Eléctrico
El principio de funcionamiento de los generadores se basa en la ley de Faraday, la cual describe cómo los electrones pasan a través de un hilo conductor cuando este es perturbado por un campo magnético. Los generadores de imanes permanentes (PMG) son generadores sincrónicos en los que el campo magnético es producido por los imanes. En esta clase de generadores el campo magnético es permanente debido a que, a diferencia de los de bobinado excitado o eléctricamente excitados, son los imanes los que producen el campo y no la induce una bobina excitada a través de una corriente, es por esto que el gasto energético puede llegar a ser 20% menor dado a que se elimina la excitación del bobinado (Obeki, s.f.).
Los principales componentes de los generadores eléctricos son el rotor, el estator y los imanes. El rotor es la parte móvil del generador y su importancia se
15 debe a que es donde se genera el campo magnético a través de los imanes permanentes que van pegados a él (Chapman, 1993). Otro componente importante de los generadores eléctricos es el estator puesto que es donde se genera la corriente, en él donde se conectarán los materiales conductores, generalmente alambres de cobre, para formar tres fases (cada una a 120°) en las cuales el voltaje y la potencia serán iguales en cada una de ellas, ya sea para configuración delta (∆) o estrella (Y). Por otra parte la geometría del estator es ranurada para que se puedan ubicar los alambres de cobre y de ellas depende el número de vueltas o espiras del alambre de cobre (Tunarrosa, 2009). Para finalizar con los componentes más importantes se hablará de los imanes. En la actualidad los imanes de neodimio o también llamados de tierras raras han cobrado gran importancia por tener mayor eficiencia, lo cual se debe a que el campo magnético que generan es más alto al de los convencionales (compuestos por óxido de hierro, ferrita de estroncio).
Diagnóstico Inicial del Sistema
16 En la anterior ilustración se pueden ver los principales componentes que tiene el montaje del sistema de pico-generación. En ella se pueden ver algunas partes del montaje, sin embargo, en la siguiente tabla se presentan todos los componentes en mayor detalle:
Componente Función
Válvula de Bola Regular el paso de caudal.
Tubería de PVC y Manguera Conducto para el transporte de agua.
El primero se tiene para conectarse con la válvula de bola y el segundo, realizado en el proyecto de Natalia Suarez, para disminuir las vibraciones en la tubería.
Papel Fomi y Abrazadera Unir la tubería de PVC con la
manguera y esta misma con la T de aluminio.
T de Aluminio En su interior se encuentra la turbina
unida su eje. El agua ingresa por el extremo de la manguera y sale por la parte inferior de la T. El eje de la turbina sale por la parte que se une al soporte para rodamiento.
Soporte para Rodamiento. Este soporte contiene un rodamiento
de bolas con diámetro externo de 42 mm y diámetro interno de 15 mm y un sello mecánico para evitar fugas.
Turbina Axial Máquina mecánica que convierte la
energía hidráulica en mecánica.
Motor Eléctrico usado como
Generador
Máquina eléctrica que convierte energía eléctrica en energía mecánica. Para el caso de este proyecto se hizo uso de un motor eléctrico actuando como generador. Por lo tanto, este motor eléctrico se usó de modo invertido, es decir, se conectó el eje de la turbina al eje del motor con el fin de generar energía eléctrica. La referencia del motor con la que se ha trabajo desde el proyecto de Pedro Duarte es: Yaskawa Electric Corporation, Serie: Minertia Motor F FB9M20E y tiene una resistencia óptima de 35 Ω.
Tanque de Agua 1 ( Elevado ) En el laboratorio de fluidos de la
Universidad de los Andes se tiene un tanque con una capacidad cercana a 5
17 m3 elevado aproximadamente 2.5 m de la superficie. De este tanque se deja caer el agua a través de una tubería hasta llegar a la válvula de bola que regula el paso de agua al sistema.
Tanque de Agua 2 Tanque de color negro presentado en
la Ilustración 2 con capacidad de 500 L donde finalmente llega el agua luego de salir por la parte inferior de la T de aluminio.
Bomba Hidráulica Turbomáquina que bombea agua
desde el tanque de 500 L hasta el tanque elevado.
Tabla 1. Componentes del montaje del sistema de pico-generación.
Caracterización Inicial del Sistema
Para caracterizar el sistema e identificar puntos donde hay pérdidas de energía en el sistema es necesario caracterizar por individual la turbina y luego el sistema global (turbina y generador). Para ello se usan los siguientes elementos de medición:
Ilustración 3. Instrumentos de medición (especificaciones de los instrumentos incluidos en los anexos)
Para determinar el rendimiento del sistema global (turbina + generador) y de la turbina es necesario calcular potencia hidráulica, mecánica y eléctrica. Para el cálculo de la potencia hidráulica se hace uso de un flujómetro ultrasónico, para medir caudal, y un diferencial de presión, para medir el cambio de presión aguas arriba y aguas abajo de la turbina (en la Ilustración 8 se pueden ver los puntos de medición de color rojo). Para calcular la potencia mecánica se utiliza un tacómetro, para medir la velocidad angular en el eje de la turbina, y un freno Prony que consiste en dos dinamómetros que miden las fuerzas que soporta cada extremo de una polea, la cual a su vez va conectada a un disco con un radio conocido con el fin de calcular el torque. Para determinar la potencia eléctrica se usan 2
18 multímetros, uno para medir voltaje conectado en paralelo y otro para medir corriente conectado en serie.
𝑃ℎ = ∆𝑃 × 𝑄 [𝑊𝑎𝑡𝑡]
𝑃𝑚 = 𝑇 × 𝜔 [𝑊𝑎𝑡𝑡]
𝑃𝑒 = 𝑉 × 𝐼 [𝑊𝑎𝑡𝑡]
Por lo tanto para calcular la eficiencia de la turbina (la eficiencia mecánica) y la del sistema global se utilizan las siguientes ecuaciones respectivamente:
𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝜂𝑚 = 𝑃𝑚
𝑃ℎ × 100%
𝜂𝑔 = 𝑃𝑒
𝑃ℎ× 100%
Luego de conocer las anteriores ecuaciones se procede a caracterizar el sistema global (turbina + generador). Para ello se instala el flujómetro ultrasónico sobre la tubería de PVC y se calibra. Luego se conecta el diferencial de presión antes y después de la turbina. Posteriormente, se realiza el montaje de un circuito en serie, como se exhibe en la Ilustración 1, sobre una protoboard, esto con el fin de colocar la resistencia óptima del generador para alcanzar la máxima eficiencia. Del proyecto de grado de Pedro Duarte (2014) se sabe que la resistencia óptima para el motor a usar (ver Ilustración 5 ) es de 35 Ω, por lo tanto, se conectan los dos multímetros (amarillo para medir corriente en serie y rojo para medir voltaje en paralelo) y se realizan las mediciones donde se encuentran los siguientes resultados expuestos en la Gráfica 1.
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Ilustración 5. Motor Eléctrico usado como generador (Duarte, 2014).
Vale la pena mencionar que este motor es el mismo que se usó en el proyecto de Natalia Suarez (2014) y fue seleccionado por Pedro Duarte (2014) un semestre antes.
Gráfica 1. Eficiencia global del sistema.
En la anterior gráfica se puede ver la eficiencia global de sistema en función del caudal. De ella se observa que los datos no tienen ninguna forma o tendencia y que para valores similares de caudal se tiene alta variación en los resultados de eficiencia, entre el 5% y el 30% para un caudal entre 2.5 L/s y 3 L/s. Lo anterior se debe a que la manguera del montaje permite la acumulación de agua puesto que ésta se puede expandir hasta llegar a un punto máximo. Al llegar a este punto, la manguera libera toda el agua acumulada a gran velocidad, repitiendo este ciclo constantemente. Esto genera que el caudal real que recorre la T de aluminio no
20 sea constante, pues el fluido es mandado por paquetes a diferentes velocidades. De este modo, se presenta una alta variación en el caudal de manera instantánea y que no es posible medir. Por lo tanto, a pesar de medir un valor de caudal con el flujómetro, el caudal que pasa por la turbina probablemente es un poco mayor, encontrando valores de eficiencia de hasta el 30%. Además, esto también generó que el giro de la turbina no fuese constante a pesar de mantener fijo un caudal. Por otra parte, el montaje presentó altas vibraciones en el eje de la turbina, seguramente por las fuerzas radiales ocasionadas por el agua. En la siguiente tabla se presentan en detalle los problemas ocasionados por la manguera:
Problema Descripción
Rotación no constante A pesar de mantener un caudal
constante, la turbina no rotaba constantemente y presentaba altas variaciones debidas a la acumulación de agua en la manguera.
Altas vibraciones A lo largo del eje de la turbina se
presentan grandes vibraciones, ocasionando que la turbina choque con la pared de la T de aluminio y se frene súbitamente.
Fugas de agua A través de las uniones de la
manguera con los tubos hay fugas debido a que el fomi y la abrazadera no sellan correctamente a altos caudales.
Tabla 2. Problemas ocasionados por la manguera.
Teniendo en cuenta lo descrito en la Tabla 2, se consideró que no era necesario medir la eficiencia mecánica, pues también se iban a tener resultados poco replicables y sin ninguna tendencia. Por lo cual se determinó que era necesario cambiar la manguera por tubería de PVC con el fin de eliminar estos problemas.
Modificaciones Iniciales al Sistema
Como se mencionó anteriormente se decidió cambiar la manguera por tubería de PVC. Para hacerlo había que tener en cuenta los antecedentes que ha tenido el proyecto con este tipo de tubería, entre lo que se encuentra la alta vibración en todo el montaje pues el radio del codo era muy pequeño. Por lo anterior, se decidió utilizar un codo con el radio lo más grande posible para tubería de 2” y que además cumpliera las restricciones de espacio del laboratorio. Finalmente se encontró uno con un radio de aproximadamente 30 cm.
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Ilustración 6. Codo de PVC.
Para facilitar el ensamblaje del codo se colocaron uniones universales de PVC a ambos extremos, sobre la tubería de PVC y la T de aluminio. Para unir estas partes se usó soldadura de PVC y un adhesivo epóxico (para unir PVC con aluminio), cuyo nombre comercial es SinteSolda.
Por otra parte, al momento de conectar el eje de la turbina al freno Prony se detectó que el disco era muy pesado, de modo que inclina el extremo posterior del eje hacia abajo. Por ello, se torneó el disco para quitarle gran cantidad de material y dejarlo más liviano. Adicionalmente, este disco tenía un orificio 1 mm más grande que el diámetro del eje, entonces al conectar el eje con el disco se presentaba un bote considerable, por lo cual se decidió agrandar este orificio e introducir un buje que tuviera el diámetro del eje de la turbina.
Ilustración 7. Disco del Freno Prony.
Diagnóstico 2 del sistema
Luego de realizar las modificaciones se encuentra que no hay fugas en la tubería y que las vibraciones disminuyeron en gran medida, por lo tanto, se procede a caracterizar el sistema.
22 Caracterización del sistema
Inicialmente se caracterizó la turbina, por lo tanto se montó el freno Prony y se midió la velocidad angular con un tacómetro.
Ilustración 8. Montaje del sistema de pico-generación hidroeléctrica con tubería de PVC y Freno Prony.
En la Gráfica 2 se presenta la eficiencia de la turbina vs el caudal. De ella se puede observar que la turbina tiene una eficiencia máxima de aproximadamente el 41% a 4 L/s y luego empieza a disminuir. Es importante destacar que el caudal al que arranca la rotación de la turbina es de aproximadamente 3.5 L/s.
23 Posteriormente se procede analizar la potencia hidráulica en función del caudal (Gráfica 3) y la potencia mecánica en función de la velocidad de rotación (Gráfica 4).
Gráfica 3. Potencia Hidráulica vs Caudal.
Gráfica 4. Potencia Mecánica vs Velocidad de Rotación.
De la Gráfica 3 se puede destacar que existe una relación creciente entre el caudal y la potencia hidráulica, lo cual quiere decir que la cabeza también guarda relación similar con el caudal. Por su parte, según la Gráfica 4, la potencia mecánica también tiene relación directamente proporcional a la velocidad angular, sin embargo, dicha relación no es tan evidente puesto que algunos datos se encuentran bastante alejados de la tendencia. Lo anterior se explica en que el eje de la turbina presenta ligeros movimientos no deseados, es decir, cabeceo o
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
Po ten ci HI d rá u lic a (W atts ) Caudal (L/s)
Potencia Hidráulica Generada
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Po ten ci M e cá n ic a (W atts )
Velocidad Angular (RPM)
Potencia Mecánica Generada
24 vibraciones. Esto se debe a que el soporte de transmisión solo presenta un rodamiento que no es suficiente para eliminar este grado de libertad.
Gráfica 5. Eficiencia global vs Caudal.
En la Gráfica 5 se presentan los resultados encontrados para el sistema global. En ella se puede ver que el sistema alcanza una eficiencia cercana a 24% a un caudal del 3.8 L/s. Es importante mencionar que se caracterizó el sistema global para 3 diferentes resistencias para comprobar que la resistencia óptima es de 35 Ω. Al comparar los resultados de la Gráfica 25 con los de la Gráfica 2 se puede ver que el motor actuando como generador, para el punto de mejor operación, tiene una eficiencia aproximada del 60%, mientras que la turbina tiene una eficiencia cercana al 40%. Viendo estos resultados se puede afirmar que, a pesar que la eficiencia del generador no es muy alta, la turbina es la que presenta mayores pérdidas en el sistema, pues su eficiencia es muy baja.
Las turbinas axiales generalmente presentan picos de máxima eficiencia en un rango entre el 80% y un 90% (White, 2008). Sin embargo, esta turbina presenta un pico de tan solo el 41%, lo cual se debe a que esta turbina no fue diseñada para operar a las condiciones de caudal y cabeza que se tienen actualmente. A continuación se presentan los parámetros de diseño de esta turbina diseñada por Sierra (2013):
Caudal: 𝑄 = 5.52𝐿
𝑠 Número Reynolds: 𝑅𝑒 = 71080
Densidad fluido = 991.1 𝑘𝑔/𝑚3 Perfil Aerodinámico: GOE 417
Cabeza ℎ = 2𝑚 Diámetro: 53 mm Caída presión 𝑃 = 13080 𝑃𝑎 4 aspas
Velocidad flujo 𝑣 = 2.5𝑚
𝑠 Velocidad angular 𝜔 = 3000 𝑅𝑃𝑀
25 Al comparar estos parámetros con los que se tienen actualmente se encuentran discrepancias, pues actualmente el montaje no es capaz de entregar mucho más de 5.5 L/s, ni una cabeza de 2 m. Teniendo en cuenta esto, se decide diseñar, caracterizar y manufacturar una nueva turbina que se ajuste mejor a los parámetros y condiciones que se tienen actualmente en el montaje del sistema en el laboratorio de fluidos de la Universidad de los Andes.
Diseño Turbina Axial
Para diseñar una turbina axial inicialmente se determinan los parámetros de caudal, cabeza, diámetro de la turbina y velocidad de rotación. El caudal de diseño se desea que sea el mismo para el cual la turbina actual tiene mayor eficiencia, de modo que aumente la eficiencia de la turbina y del sistema en un punto similar, por lo tanto se escoge que sea de 4L/s. Además, la diferencia entre la eficiencia global y la eficiencia de la turbina no están muy alejadas por lo cual se puede pensar que la eficiencia del motor usado como generador se encuentra muy cerca a este punto. Por otra parte, se desea que la cabeza sea igual a la cabeza disponible en el laboratorio, la cual tiene un valor de 1.23 m a 4 L/s. Es importante aclarar que la cabeza depende de la apertura de la válvula de bola y del nivel de agua del tanque, ésta cabeza no es constante (para todos los valores de caudal) debido al estrangulamiento que ésta hace sobre el fluido y a las pérdidas de agua al vaciar el tanque de 500 L. Adicionalmente, se desea que el diámetro de la nueva turbina no sea igual al diámetro de la turbina actual, dado a que la actual tiene un diámetro igual al de la T de aluminio, razón por la cual, cuando hay vibraciones en el eje de la misma, ésta choca con las paredes del tubo generando fricción. Vale la pena mencionar que la actual turbina desgastó la T de aluminio, dejando un diámetro diferente en donde está ubicada, es decir, una ranura, sin embargo, no es posible garantizar que esta posición se mantenga con la nueva turbina al realizar el ensamble. Es por ello que se decidió que la nueva turbina tenga un diámetro de 50 mm, de modo que no choque con las paredes del tubo, sin importar que hayan pequeñas vibraciones.
Teniendo en cuenta que ya se determinaron los tres primeros parámetros, se procede a calcular el diámetro específico para luego hallar la velocidad específica deseada ubicándola en el diagrama de Cordier sobre el punto de mejor eficiencia y posteriormente hallando la velocidad de rotación:
Δ =𝜋
1 2
234
𝐷(𝑔ℎ)
1 4
26 Por lo tanto la velocidad específica se ubica en el punto rojo del diagrama de Cordier (ver Ilustración 9) para que la turbina tenga máxima eficiencia, por consiguiente debe tener un valor de velocidad de rotación de:
27
𝑁𝑄 = 1.3 = 𝑛 √𝜋√2 √𝑄 (𝑔ℎ)34
𝑛 = 1.3
√𝜋√2 √𝑄 (𝑔ℎ)34
= 3 788 𝑟𝑝𝑚
La velocidad de rotación debe ser de 3 788 rpm a 4 L/s, lo cual es muy difícil de alcanzar a este caudal, pues actualmente llega a tan solo 2 000 rpm y esto implicaría que casi se duplicará. Además, una alta velocidad implicaría una baja longitud de cuerda, lo cual tiene como consecuencia un bajo espesor en el perfil que no es aconsejable por problemas de esfuerzos de flexión en las aspas. Por lo tanto se decidió recalcular la velocidad específica con una velocidad de rotación de 2 500 rpm para analizar qué tan alejado se encuentra este punto de la curva de máxima eficiencia en el diagrama de Cordier. Dicho punto se encuentra representado en la Ilustración 9 de color azul. Como se puede observar, el nuevo punto donde operará la turbina no se encuentra muy alejado de la curva de máxima eficiencia y, además, debe tener una longitud de cuerda mayor, por lo cual se procede a realizar el análisis de elemento de aspa y de momentum angular con el fin de examinar la eficiencia teórica de la nueva turbina a esta velocidad basándose en el texto: Análisis Simplificado de Diseño de Turbina Axial, escrito por Alvaro Pinilla y en la tesis de maestría de Yerlin Plata (2012). Para realizar este análisis se tienen los siguientes parámetros:
Caudal 𝑄 4 𝐿/𝑠
Velocidad de Rotación 𝑛 2 500 𝑟𝑝𝑚
Cabeza ℎ 1.23 𝑚
Densidad del Agua 𝜌 998 𝑘𝑔/𝑚3 Viscosidad Cinemática del Agua 𝜐 1 × 10−6 𝑚2/𝑠
Tabla 4. Parámetros iniciales para el diseño de una turbina axial.
Luego de definir los parámetros de la Tabla 4 se definen: el número de aspas, que se decide conservar en 4; el número de anillos infinitesimales para realizar el análisis, cuya cantidad se escoge como 20 para tener suficientes variaciones del ángulo del calaje y longitud de cuerda a lo largo de cada posición radial; y diámetro del cubo que escoge como el 50 % del diámetro de la turbina con el fin de facilitar la manufactura y garantizar el acople al eje de transmisión. Posteriormente se calculan las velocidades presentadas en la siguiente ilustración para cada posición radial:
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Ilustración 10. Diagrama de velocidades en un elemento de aspa.
Para ello, es necesario calcular, con la siguiente ecuación, la velocidad del agua en el plano del rotor (𝑈∞), donde 𝑑 es el diámetro del cubo y 𝐷 corresponde al diámetro de la turbina, no obstante, para este caso hay que realizar una corrección a la ecuación porque el análisis asume que la turbina tiene el mismo diámetro del tubo en el que está encerrada lo cual no sucede en este caso y, por lo tanto, 𝐷 debe ser el diámetro total del tubo (53 mm).
𝑈∞=
𝑄 𝜋
4 (𝐷2− 𝑑2)
= 2.1 𝑚/𝑠
Entonces la velocidad tangencial para cada posición radial será:
𝑈𝑡(𝑟) = −𝑟𝜔 +
√𝑟𝜔2+2∆𝑝 𝜌 2
La velocidad efectiva:
𝑉𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡 = √𝑈∞2 + (𝑟𝜔)2[1 +
𝑟𝜔𝑈𝑡 𝑈∞2 + (𝑟𝜔)2]
La eficiencia para cada posición radial se determina como: 𝜂(𝑟) = 1
1 + 𝑈𝑡 𝑟𝜔
El ángulo de calaje se calcula con la siguiente ecuación: 𝛽(𝑟) = 𝜙(𝑟)0− 𝛼ó𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜
Donde 𝛼ó𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜 es un valor determinado por el perfil aerodinámico seleccionado y 𝜙(𝑟)0 es igual a:
29 𝜙(𝑟)0 = tan−1( 𝑈∞
𝑟𝜔 + 𝑈𝑡)
Por medio de las ecuaciones de momentum angular se halla la potencia mecánica generada por cada anillo como el producto del diferencial de momento-par por la velocidad angular, mientras que la potencia hidráulica disponible se encuentra como la caída de presión sobre la turbina por el caudal que pasa por un anillo en cada posición radial:
𝑃𝑚 = 𝜔 𝑑𝑇 = 𝑈∞(2𝜋𝑟𝑑𝑟)𝜌(𝑟𝜔)2𝑈𝑡
𝑃ℎ = 𝜌𝑈∞2𝑈𝑡(𝑟𝜔 + 𝑈𝑡)2𝜋𝑟𝑑𝑟
La longitud de la cuerda es igual a: 𝑐(𝑟) = 4𝜋𝑟∆𝑝
𝐵 ∙ 𝑉𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡 ∙ 𝐶𝑙∙ cos (𝜙)
Donde 𝐶𝑙 es el coeficiente de sustentación que viene dado por el perfil aerodinámico. Ahora se calcula el número de Reynolds con el fin de poder seleccionar el perfil aerodinámico:
𝑅𝑒(𝑟) =𝑐(𝑟) × 𝑉𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡(𝑟) 𝜐
Teniendo en cuenta que la cuerda y el número de Reynolds están relacionados, se realiza un proceso de iteración encontrando que el Reynolds converge a valores cercanos a los 100 000. Por lo tanto se procede a buscar un perfil que funcione a este número de Reynolds y que tenga un alto coeficiente de sustentación sobre arrastre. A continuación se muestran los dos más destacados:
Perfil Aerodinámico
Coeficiente de Sustentación
Coeficiente de Arrastre
𝑪𝒍 /𝑪𝒅
Eppler 62 1.2645 0.0169 74.69
GOE 417 A 1.1825 0.0180 65.5
Tabla 5. Propiedades aerodinámicas de los perfiles GOE 417A y Eppler 62. (Airfoiltools, s.f.)
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Ilustración 12. Geometría del perfil GOE 417 A (Airfoiltools, s.f.)..
En la anterior tabla se pueden ver los 2 perfiles más destacados. El primero es el Eppler 62 que tiene un coeficiente de sustentación/arrastre de 74.56, mientras que el GOE 417 A tiene un menor coeficiente de sustentación/arrastre con un valor de 65.5. Sin embargo, a pesar de que se desea el perfil aerodinámico que tenga más alta esta relación, en este caso hay que tener en consideración la geometría del perfil. Teniendo en cuenta que la cuerda va a ser muy pequeña porque la turbina va a ser de tan solo 50 mm, se desea que el perfil sea fácil de manufacturar, lo cual implica que tenga una geometría sencilla de realizar. Por su parte, el GOE 417 A no tiene bruscas reducciones en su espesor, como por el contrario si los tiene el Eppler 62, pues, el segundo, tiene una sección puntiaguda a la salida del perfil en la cual se puede ver el bajo espesor del mismo. Por esto, se decidió seleccionar el GOE 417 A dado a que es más sencillo de manufacturar debido a su geometría, y, además, ya se ha trabajado en anteriores proyectos de la Universidad de los Andes.
Luego de definir el perfil aerodinámico ya se puede realizar el análisis de elemento de aspa y momento angular. Los resultados del análisis se encuentran en la Tabla 6. En ella se puede ver que la potencia hidráulica disponible es de 39.2 W y se espera que la turbina sea capaz de aprovechar 35.1 W, lo cual quiere decir que la eficiencia teórica es de 89.56%.
*Nota: Para revisar la memoria de cálculos se recomienda dirigirse a la sección de
anexos de este documento.
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Ilustración 13. Modelo CAD de la nueva turbina axial.
Diseño del Cuerpo Rankine
Un cuerpo Rankine es un objeto que tiene como función direccionar el fluido a la entrada (ataque) y a la salida (fuga) del rotor de la turbina para evitar desprendimiento de la capa límite, lo cual genera problemas de vorticidad. Para el diseño del cuerpo Rankine de la turbina se hizo uso de las ecuaciones y relaciones propuestas en el libro: Mecánica de Fluidos de Frank White (2008).
Ilustración 14. Ecuaciones para el diseño de un cuerpo de Rankine.
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Manufactura de la Turbina Axial
La turbina axial fue manufacturada en el laboratorio de manufactura de la Universidad de los Andes en el centro de mecanizado (CNC) y tardó aproximadamente 5 horas. El material en el que fue realizada la turbina fue una barra de 2” de bronce-latón debido a que posee resistencia a la corrosión y presenta facilidad para ser maquinado. Para fabricarla fue necesario realizar un modelo por computadora en el software Autodesk Inventor y exportarla a formato de CAD (.step). Para realizar el modelo en Inventor se exportó la geometría del perfil para cada anillo del análisis de elemento de aspa, es decir, se varió el ángulo de calaje y la longitud de la cuerda de acuerdo a cada posición radial. Posteriormente, se utilizó la función de solevación para unir cada perfil y formar la geometría adecuada.
Ilustración 16. Mecanizado de la turbina axial.
Es importante mencionar de la Ilustración 16 que fue necesario hacer un orificio en el centro de la turbina debido a que el control numérico por computadora requiere tener una referencia para poder programar los recorridos de las brocas.
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Modificaciones al Soporte de los Rodamientos
Como se mencionó en la segunda caracterización del sistema, el eje de la turbina presenta pequeñas vibraciones. Para eliminarlas se propone el uso de un segundo soporte adicional al rodamiento y que esté separado para que ambos no se comporten como un mismo soporte. Para ello se manufactura un buje de bronce fosforado, cuyo material es conocido en la industria por su dureza, resistencia y baja fricción. Por restricciones geométricas del soporte de rodamiento, este buje debe tener una longitud de 25 mm, un diámetro externo de 42 mm y un diámetro interno de 15 mm con ajuste deslizante. Además, con el fin de reducir la carga rotacional que ejerce el rodamiento de bolas de 15 mm, se cambia por uno con diámetro externo de 35 mm y diámetro interno de ½” (12.7 mm) pues los más pequeños presentan menos fricción en sus bolas. Adicionalmente se decide colocar un retenedor hidráulico con el fin de evitar fugas por el soporte. Finalmente, para mejorar la facilidad de ensamble de la turbina y el mantenimiento de estos componentes se elaboran 2 orificios roscados, sobre el soporte y la T de aluminio, y una ranura para O ring de 42 mm de diámetro y espesor de 1/16” para sellar la unión entre el soporte y la T.
Ilustración 18. Modificaciones al soporte de rodamientos.
Diagnóstico 3 del Sistema
Luego de ensamblar todos los componentes del sistema de pico-generación hidroeléctrica se comprueba que no haya fugas en el sistema, posteriormente se caracteriza el sistema con la nueva turbina y finalmente se caracteriza el sistema con 2 diferentes motores usados como generadores, con el fin de seleccionar el que aumente la eficiencia de conversión de energía mecánica en eléctrica.
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Caracterización del Sistema
Inicialmente se caracterizará la nueva turbina y después el sistema global (turbina + motor). Para hacerlo se usan los mismos instrumentos presentados en la Ilustración 3.
Gráfica 6. Eficiencia de la nueva turbina vs Caudal.
Gráfica 7. Eficiencia global del sistema vs Caudal.
En la Gráfica 6 se puede ver la curva de eficiencia contra caudal. De ella se observa que hay un pico de máxima eficiencia cercano al 50% a 4.3 L/s. Es importante destacar que a pesar de haber diseñado la turbina para una eficiencia cercana al 89%, ésta se encuentra muy por debajo. Lo anterior se debe a que el diseño de la turbina no tiene en cuenta las cargas del sistema, como las que ejerce el rodamiento o la fricción del eje de transmisión con el buje y el retenedor
35 hidráulico. Adicionalmente, es importante destacar que el sistema tiene perdidas por fricción, por lo tanto el agua no llega con la misma energía a la entrada de la turbina. Por otra parte, el caudal de diseño es de 4 L/s mientras que en la Gráfica 6 se puede ver que el caudal donde hay máxima eficiencia está corrido a la derecha (4.3 L/s). Esto se debe a que el caudal efectivo que pasa por el rotor de la turbina es menor al que realmente está pasando por el tubo. Esto se debe a que el diámetro de la turbina es 3 mm menor como se había mencionado en la sección de diseño de la turbina axial.
En la Gráfica 7 se puede ver el comportamiento del sistema con el generador usado a lo largo de todo el proyecto. De dicha gráfica se puede ver que la eficiencia máxima está cercana al 30% a un caudal de 4.2 L/s. Dicho caudal es más bajo que el caudal de mejor operación de la turbina porque la máxima eficiencia del generador se encuentra a un caudal menor. Analizando ambas eficiencias se puede ver señalar que la eficiencia del generador en el punto de mejor operación del sistema es cercana al 60%.
Selección de un Motor como Generador
Ilustración 19. Motores eléctricos.
*Nota: Para mayor información sobre las características de los motores se
recomienda revisar (Duarte, 2014).
Teniendo en cuenta que se desea aumentar eficiencia de transformación de energía, se caracteriza el sistema con otros 2 generadores disponibles en la Universidad de los Andes. En la Ilustración 19 se pueden ver dos motores que fueron usados previamente en los trabajos de Sierra (2013) y Duarte (2014). El motor de la izquierda (Servo- DC de imanes permanentes y escobillas, marca: Yaskawa electric corporation y serie: Minertia Motor F - A9EEN2), adquirido
36 durante el proyecto de Duarte, tiene una resistencia óptima de 35Ω, mientras que el motor de la derecha (DC de imanes permanentes y escobillas, marca: Nisca y serie: NC5475B), adquirido durante el proyecto de Sierra, tiene una resistencia óptima de 15 Ω. A continuación se presentan los resultados de eficiencia del sistema con ambos generadores.
Gráfica 8. Eficiencia global con motores Duarte y Sierra vs Caudal.
En la Gráfica 8 se puede ver la eficiencia global con ambos motores. Es evidente que el motor que presenta una eficiencia más alta es el usado por Sierra durante su proyecto, alcanzando una eficiencia máxima del 33% a 4.25 L/s, lo cual quiere decir, comparándolo con los resultados para la eficiencia de la turbina, que el motor tiene eficiencia aproximada del 66%. Por su parte, el sistema con el motor de Duarte presenta alta fricción en su propio eje, por lo cual se encuentra una máxima eficiencia global cercana al 25% para un caudal de 4.3 L/s, lo cual traduce una eficiencia máxima del generador cercana al 50%. Al comparar estos resultados con los del motor usado a lo largo de todo el proyecto (ver Ilustración 5 y Gráfica 7), se puede ver que el motor de Sierra es ligeramente superior, razón por la cual se propone el uso de este como generador.
Análisis de Pérdidas de Energía en Tubería
Teniendo en cuenta que se esperaba una mayor eficiencia de la turbina y, por ende, del sistema, se realiza un análisis de pérdidas en tubería entre los puntos donde se mide el diferencial de presión (puntos rojos de la Ilustración 8). Para ello se hace uso de la siguiente ecuación:
37 𝐶𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝐻𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠=
𝑉2 2𝑔(𝑓
𝑙
𝑑+ ∑ 𝑘)
% 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 =𝐻𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (𝜌𝑔)∆𝑝
Donde 𝑓 es el factor de fricción y varía entre 0.02 y 0.022 según el número de Reynolds en la tubería asociado a cada velocidad de flujo; 𝑙 es la longitud de la tubería entre los puntos de medición del diferencial de presión; 𝑑 es el diámetro de la tubería; y 𝑘 es un coeficiente de pérdidas por accesorios. Los resultados de este análisis se presentan en la Gráfica 9 y para ello se usan datos reales del diferencia de presión obtenidos durante las mediciones del proyecto.
Gráfica 9. Porcentaje de pérdidas.
De la anterior gráfica se puede ver como el porcentaje de pérdidas para un caudal de 4.25 L/s es de aproximadamente el 20%. Esto quiere decir que se asume que un 20% de la energía hidráulica se extrae por la turbina cuando realmente se pierde por fricción y pérdidas en accesorios. Para corregir las mediciones se deben cambiar los puntos de medición del diferencial de presión, de modo que estén localizados justo antes y después de la turbina. Por otra parte, es importante aclarar que el porcentaje de pérdidas disminuye a medida que aumenta el caudal, esto se da a pesar de que la cabeza de pérdidas aumenta con la velocidad del fluido, no obstante la cabeza debida al diferencial de presión aumenta en mayor proporción debido a que la válvula de bola genera menos perdidas de acuerdo al porcentaje de apertura.
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Análisis de Perdidas en el Montaje
En la siguiente tabla se presentan algunos puntos identificados donde hay pérdidas de energía:
Punto de Pérdidas Descripción
Fricción entre el eje y el retenedor hidráulico
La fricción entre el eje y el retenedor hidráulico ocasiona un aumento en el torque de arranque lo cual genera que no se aproveche completamente el torque generado por la turbina.
Unión entre ejes de la turbina y de los generadores.
La incorrecta alineación entre ambos ejes detiene la rotación de turbina por la carga de fricción, también aumenta las vibraciones sobre la tubería del montaje dado a que el agua no puede seguir con facilidad. Además, podría generar pandeo sobre alguno de los dos ejes.
Tabla 7. Puntos del montaje donde se generan pérdidas.
Conclusiones
Se logró estabilizar el comportamiento del sistema con la introducción de un segundo apoyo al sistema de transmisión de potencia (buje y rodamiento) y el cambio de la manguera a tubería de PVC.
Fue posible aumentar la eficiencia del sistema diseñando una nueva turbina que aumentó la eficiencia de transformación de energía hidráulica a mecánica como se ilustra a continuación.
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Se seleccionó un motor comercial cuyo comportamiento como generador eléctrico es aceptable.
Se identificó un porcentaje de pérdidas de energía entre los puntos donde se mide el diferencial de presión.
Recomendaciones
Teniendo en cuenta la baja cabeza, se propone diseñar una turbina axial más grande, que rote a menor velocidad con un mayor torque, con el fin de disminuir las pérdidas causadas por fricción y accesorios.
Para tener mediciones más exactas se recomienda colocar los puntos de medición del diferencial de presión justo a la entrada y a la salida del rotor de la turbina.
Se recomienda diseñar una plataforma de altura graduable para alinear correctamente el eje de los generadores con el eje de la turbina, pues esta desalineación genera una carga adicional al sistema. Para este fin se recomienda usar una placa que pueda variar su altura mediante tuercas y espárragos.
Por último se recomienda instalar un sello mecánico como el usado en el proyecto de grado de Natalia Suarez porque genera una menor carga a la rotación del eje de transmisión en comparación con el retenedor hidráulico.
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Bibliografía
Airfoiltools. (s.f.). Airfoiltools Eppler E62 low Reynolds number. Recuperado el 24 de febrero de 2015, de airfoilhttp://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=e62-il
Chacón, J. (2014). El Espectador. Recuperado el 20 de 10 de 2014, de http://www.elespectador.com/noticias/economia/hay-2-millones-de-personas-sin-energia-articulo-523014
Chapman, S. (1993). Máquinas Eléctricas. Oxford: McGraw-Hill.
Hyper Solutions. (2011). Drionic. Recuperado el 20 de Febrero de 2015, de http://www.sudoracionexcesiva-hiperhidrosis.com.mx/drionic-funcionamiento-y-modo-de-accion/
Duarte, Pedro (2014). Evaluación de Rendimiento de un Prototipo de Pico-Generación Eléctrico. Universidad de los Andes.
Grauers, A. (1996). Design of Direct-driven Permanent-magnet Generators for Wind Turbines. Göteborg, Sweden.: CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.
Obeki. (s.f.). Obeki. Recuperado el 20 de 10 de 2014, de http://www.obeki.com/productos/Generadores%20de%20Imanes%20Permanentes .pdf
Pinilla, Álvaro. (2012). Análisis Simplificado de Diseño de Turbina Axial. Universidad de los Andes.
Plata, Yerlin (2012). Diseño y Desarrollo de un Pico-Generador Hidroeléctrico para producción preindustrial. Universidad de los Andes.
Sierra, Juan (2013). Desarrollo de un Prototipo de Pico-Generación Eléctrica. Universidad de los Andes.
Tunarrosa, D. (2009). Desarrollo de un Generador de Imanes para la Aplicación en Unidades Portátiles para el Suministro de Energía. Bogotá. Recuperado el 21 de 10 de 2014- Universidad de los Andes.
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Anexos
Descripción de los Instrumentos de Medición
A continuación se presentan las especificaciones de los instrumentos de medición usados en el proyecto, es importante destacar que estas especificaciones se tomaron del documento del proyecto de grado de Pedro Duarte (2014):
Flujómetro:
Marca: Ultra Flux.
Modelo: UF 801-P.
Rango de velocidades del flujo: 1mm /seg - 45 mm/seg.
Diámetros de tubería desde 10 mm hasta 10 metros.
Medición en cualquier líquido a cualquier presión. Diferencial de presión:
Marca: PCE instruments.
Serie: C-95.
Modelo: C-9553 SIL
Rango: 0- 35 kPa.
Resolución: 0.01 kPa.
Multímetro:
Marca: Fluke.
Modelo:117
Rango/resolución: Voltaje:
600 mV/0.1mV; 6 V/0.001V ; 60 V/0.01 V; 600 V/0.1V Corriente:
6 A/0.001 A; 10 A/0.01 A Ohmios:
600 Ω/0,1 Ω; 6 kΩ/0,001 kΩ ; 60 kΩ/0,01 kΩ; 600 kΩ/0,1 kΩ; 6 MΩ/0,001 MΩ Tacómetro:
Marca: Extech instruments.
Modelo: RPM 10.
Rango: 10- 99999 RPM
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Memoria de Cálculo de Turbina Axial
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Plano Turbina Axial