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7/26/2019 Informe de Energia Hidraulica
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Laboratorio de Energa Hidrulica Universidad Nacional de Trujillo
Laboratorio de Energa Hidrulica
1. Introduccin
Los antiguos romanos y griegos aprovechan ya la energa del agua,
utilizaban ruedas hidrulicas para mover trigo, sin embargo la posibilidad deemplear esclavos y animales de carga retras su aplicacin generalizadahasta el siglo !""# $urante la edad media, las grandes ruedas hidrulicas demadera desarrollaban una potencia m%ima de &' caballos#La energa hidroel(ctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civilbritnico )ohn *meaton, +ue construy por primera vez grandes ruedashidrulicas de hierro colado#La energa hidrulica es la energa +ue se obtiene de la cada del agua decierta altura a un nivel inerior, lo +ue provoca el movimiento de ruedashidrulicas o turbinas, las +ue dan la electricidad#
La hidroelectricidad es un recurso
natural disponible en las zonas +uepresentan su-cientes cantidades deagua# *u desarrollo re+uiere construirpantanos, presas, canales dederivacin y la instalacin de grandesturbinas y e+uipamientos paragenerar la electricidad# Todo elloimplica la inversin de grandessumas de dinero, por lo +ue noresulta competitiva en regionesdonde el carbn o el petrleo son
baratos, aun+ue el costo demantenimiento de una centralt(rmica, debido al combustible, seams caro +ue el de una centralhidrulica, sin embargo, el peso delas consideraciones medioambientales centra la atencin enestas uentes de energa renovables#En .er/ es ms econmico yavorable tener centrales hidrulicas,ya +ue nuestro pas posee los recursos geogr-cos 01os y lagos#2 paragenerar este tipo de energa y, adems si comparamos con las centrales
t(rmicas el gasto no es tanto como el de estas#
.ara poder producirse la energa hidrulica, el agua debe entrar en unaturbina y debe salir por los canales de descarga# Los generadores estnsituados justo encima de las turbinas y conectados con rboles verticales#Una presa debe ser impermeable, las -ltraciones a trav(s o por debajo deella deben ser controladas al m%imo para evitar la salida del agua y eldeterioro de la propia estructura# $ebe estar construida de orma +ueresista las uerzas +ue se ejercen sobre ella# Estas uerzas +ue losingenieros deben tener en cuenta son3 La gravedad, la presin hidrosttica yla uerza +ue ejerce el agua# 4dems los gelogos deben determinar +u(tipo de terreno est e%puesto a -ltraciones y cual puede soportar el peso dela presa y el agua +ue contendr detrs de ella#
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Fig 1: Centrales Hidroelctricas en
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El agua de canales, ros, lagos, etc#, es retenida por un du+ue, de all elagua se deja libre, 7uyendo libremente con una gran energa potencial, lo+ue hace girar unas turbinas +ue se encuentran en la central hidrulica# Lasturbinas activan a un generador, el cual transorma la energa del agua en laenerga el(ctrica +ue llega a nuestras casas y a todos los lugares +uere+uieren de ella, pero est energa necesita de algo para poder ser llevadaa los distintos lugares, es por eso +ue los cables de alta tensin son muyimportantes, ya +ue transmiten la energa desde la central a donde senecesite#
2. Objetivos
8btener energa el(ctrica a partir del desnivel de un 7ujo de agua,empleando para ellos turbinas .elton y 9rancis#
5alcular las e-ciencias de la conversin de energa#
3. Marco Terico
a) Energa hidrulica
*e denomina energa hidrulica o energa hdrica a a+uella +ue se obtienedel aprovechamiento de las energascin(tica y potencial de la corriente de ros,saltos de agua o mareas# Es un tipo deenerga verde cuando su impactoambiental es mnimo y usa la uerza
hdrica sin represarla, caso contrario esconsiderada solo una orma de energarenovable#
*e puede transormar a muy dierentesescalas, e%istiendo desde hace siglospe+ue:as e%plotaciones en las +ue lacorriente de un ro mueve un rotor de palasy genera un movimiento aplicado, porejemplo, en molinos rurales# *in embargo,la utilizacin ms signi-cativa laconstituyen las centrales hidroel(ctricas de
represas, aun+ue estas /ltimas no sonconsideradas ormas de energa verde porel alto impacto ambiental +ue producen ypor el uso de grandes cantidades de combustible sil para los generadores#
b) Potencial
5erca de un cuarto de la energa solar +ue incide sobre la tierra se consumeen la evaporacin de agua#El vapor de agua en la atmsera representa, por consiguiente, un enorme ycontinuo almacenamiento de energa renovable $esaortunadamente la
mayor parte de esta energa no est disponible para ser usada3 es reciclada
Energas No 5onvencionales .gina ;
9ig ;3
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en la atmsera cuando el vapor de agua condensa para ormar la lluvia o lanieve, y -nalmente irradia en el espacio#.ero una pe+ue:a raccin, menos de un diez por ciento del total de energacirculante, permanece potencialmente disponible cuando la lluvia cae enterrenos elevados, ya +ue el agua situada a una cierta altura contieneenerga almacenada 0energa potencial gravitacional2#
La potencia en vatios de este recurso se estima mediante la e%presinsiguiente3
P=QgH =
$onde > es la densidad del agua en ?g@mA, B el caudal de agua en mA@s+ue circula por las tuberas +ue la conducen a las turbinas, g la aceleracinde la gravedad en m@s;, H el desnivel en metros y = es el rendimiento delsistema#
$e la anterior e%presin se deduce +ue puede obtenerse la misma energaaprovechando grandes caudales con pe+ue:os desniveles o pe+ue:oscaudales y grandes desniveles# El rendimiento recoge las p(rdidas deenerga debidas al rozamiento y turbulencias del 7ujo del agua en loscanales y tuberas# Estas p(rdidas varan mucho de un sistema a otro,alcanzndose rendimientos +ue oscilan entre un C&D y un &D# 4 estasp(rdidas hay +ue a:adir el rendimiento de los sistemas de transormacinde la energa hidrulica en energa el(ctrica, +ue aun+ue actualmente sonmuy e-cientes, inevitablemente, son menores del 6''D#
c) Turbina hidrulica
Una turbina hidrulica es un elemento +ue aprovecha la energa cin(tica ypotencial del agua para producir un movimiento de rotacin +ue, transeridomediante un eje, mueve directamente una m+uina o bien un generador+ue transorma la energa mecnica en el(ctrica#
En cuanto a su modo de uncionamiento, se pueden clasi-car en dosgrupos3
Turbinas de accin
Turbinas de reaccin
Las turbinas de accin aprovechan /nicamente la velocidad del 7ujo deagua, mientras +ue las de reaccin aprovechan adems la p(rdida depresin +ue se produce en su interior#
Tipos de turbinas hidrulicas
El tipo de turbina de accin ms conocido es la turbina .elton, +ue seemplea generalmente para saltos de agua de gran altura 0ms de &' m2,pero e%isten otros como la turbina Turgo y la de 7ujo cruzado 0tambi(nconocida como turbina 8ssberger o Fan?iGitchell2#
Los principales tipos de turbina de reaccin son los siguientes3 turbina9rancis, $eriaz, H(lice, turbina Iaplan, Tubular y Fulbo# La turbina 9rancis es
Energas No 5onvencionales .gina A
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muy utilizada en saltos de altura media 0& a 6'' m2 y la turbina Iaplan lo esen los saltos de baja altura 0menos de 6' m2#
La potencia de un salto de agua viene dada por la siguiente rmula3
N=rgQh
$onde3
J potencia en KrJ rendimiento del sistema, +ue depende del tipo de turbina,
adimensional#gJ aceleracin de la gravedad en m@s!J caudal de agua msico en ?g@s"J altura de salto en m#
$e acuerdo con lo anterior, una misma potencia se puede conseguir congran altura de salto y poco caudal 0centrales hidroel(ctricas de monta:a2,pe+ue:o salto y gran caudal 0centrales de llanura2 o con valores medios deambas magnitudes 0centrales de pie de presa, generalmente2#
Turbina Pelton3 es uno de los tipos ms e-cientes de turbina hidrulica# Esuna turbo m+uinamotora, de 7ujo transversal, admisin parcial y deaccin# 5onsiste en una rueda 0rodete o rotor2 dotada de cucharas en superieria, las cuales estn especialmente realizadas para convertirla energade un chorro de agua +ue incide sobre las cucharas#
Turbina Francis: *e trata de una turbom+uinamotora a reacciny de 7ujo
mi%to#Las turbinas 9rancis son turbinas hidrulicas+ue se pueden dise:ar
para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en
rangos de desnivel +ue van de los dos metros hasta varios cientos de
metros# Esto, junto con su alta e-ciencia, ha hecho +ue este tipo de turbina
sea el ms ampliamente usado en el mundo, principalmente para
la produccin de energa el(ctricamediante centrales hidroel(ctricas#
#. Materiales
.ara este laboratorio se utilizaron los siguientes materiales#
Energas No 5onvencionales .gina M
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica7/26/2019 Informe de Energia Hidraulica
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$. %rocedi&ientos
.ara poder obtener energa el(ctrica en la prctica se siguieron lossiguientes procedimientos3
*e
arm el sistema de tuberas, haciendollegar los tubos desde el tercer piso hastael suelo uni(ndose con una manguera paratransportar el 7ujo de agua +ue proporcionaun tan+ue ubicado en el tercer piso de la9aculta de "ngeniera#
*e mide el caudal en unas probetas ymidiendo el tiempo con un cronmetro# La rmula para hallar elcaudal es3
Q=V
t
$onde B es el caudal, es el volumen en mA
y t es el tiempo ensegundos#
Energas No 5onvencionales .gina &
Fig 5: istema deFi !: TurbinaFig ": Turbina
Fig #: $ultitester %
9ig C3
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Luego pasamos a conectar elvoltmetro con la turbinas paramedir la cantidad de energa +ue se
genera al mover los alabes con elagua#
9inalmente abrimos la llave para+ue salga el 7ujo de agua ycomience a mover los alabes deambas turbinas mientras se vagenerando y midiendo el voltaje#
'. (esultados
&'T(:J ;''mltJ ;#&'segHJ O#&Am
Tabla N 1: Ensayos en la TurbinaPelton Tabla N 2:
Ensayos en la Turbina Francis
Energas No 5onvencionales .gina P
1)
E*+,O
2)
E*+,O
Tie&-o
s/
oltaje
02
oltaje
02$ ;#6' ;#''
10 ;#6& 6#M
1$ ;#6' 6#A'
20 ;#6& '#C
2$ ;#6M 6#
30 ;#'O ;#6C3$ ;#'' ;#A;
#0 6#C' ;#;O
#$ 6#O 6#&
$0 6#A ;#6C
$$ ;#'& 6#CP
'0 ;#'' 6#;'
'$ 6#O 6#&&
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$ 6#O 6#&
0 6#O; ;#;C$ 6#O& ;#'A
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$ 6#OO 6#C
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10$ 6#OP 6#6C
110 6#CO 6#C6
14
E*+,O
2)
E*+,OTie&-o
s/
oltaje
02
oltaje
020 ;#O' ;#P'
$ ;#O' 6#'10 ;#C' 6#&'
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10$ 6# 6#&;110 6#AP ;#''
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Tabla N 3: Promedio de Voltaje de la turbinas con su respectiva
efciencia
'#''
'#&'
6#''
6#&'
;#''
;#&'
A#''
.ELT8N9rancis
Energas No 5onvencionales .gina C
Turbinas %ro&edio de
5oltaje 5/
E6ciencia 7 8
7%elton ;#'P '#O9rancis 6#O '#'
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914N5"* .ELT8N
6#O'
6#O&
6#'
6#&
;#''
;#'&
;#6'
6#O
;#'P
Calculando la potencia en la turbina Pelton
Terica
P=Qgh
P=0.00008m
3
s 1000
kg
m39.81
m
s28.53m0.98
P=6.56Watts
Energas No 5onvencionales .gina O
9ig# O3 oltajes promedio de los ensayos de la turbinas a
9ig# 3 oltajes promedio de las turbina
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Prctica
1esistencia3 '#C ohm#
P=V2
R
P=(2.06V)2
0.97ohm
P=4.37Watts
*iendo el error porcentual de3
e=6.564.37
6.56100=33.4
Calculando la potencia en la turbina Francis
Terica
P=Qgh
P=0.00008m
3
s 1000
kg
m39.81
m
s28.53m0.90
P=6.02Watts
Prctica
1esistencia3 '#CC6 ohm#
P=V
2
R
1.89V
2
P=
Energas No 5onvencionales .gina
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P=4.63Watts
*iendo el error porcentual de3
e=6.024.63
6.02100=23.1
.elton 9rancis
'
6
;
A
M
&
P
C
M#ACM#PA
P#&PP#';
.ractica
Teorica
. :iscusiones
Energas No 5onvencionales .gina 6'
9ig#6'3 5omparacin de los potenciales terico y prctico de
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En las 9igura O, se observa +ue para el mismo tiempo se generar distintosvalores, esto puede ser e%plicado por la variacin de caudal ya +ue al hacerpresin en la manguera para +ue salga el chorro de agua este se modi-camientras medimos el voltaje# .ero tambi(n se observa +ue en la turbina.elton se genera ms voltaje en casi todo el tiempo de la medicin#
En la 9igura se observa +ue la turbina .elton tiene mayor voltaje +ue laturbina 9rancis esto se debe a +ue la turbina .elton toma el OD de laenerga +ue agua transmite, es decir el chorro de agua +ue golpea susalabes inmediatamente los mueve para generar energaQ en cambio laturbina 9rancis primero atrapa el agua la cual utiliza para moverse, en esemomento donde retiene el agua, esta pierde e-ciencia# .or este motivo la.elton es ms e-ciente +ue la 9rancis#
.ara hallar la potencia terica se utiliza la ecuacin3
P=Qgh
$onde la e-ciencia har la dierencia en el potencial de las turbinas# *iendomayor la e-ciencia de la .elton +ue la de la 9rancis, obviamente ser mayortambi(n el potencial terico#
.ara hallar el potencial prctico, tenemos +ue tener las resistencias de lasturbinas, siendo '#6ohm en la turbina .elton y '#CC6ohm en la turbina9rancis#
.ara hallar el potencial prctico utilizamos la siguiente ecuacin3
P=V
2
R
$onde es el voltaje y 1 es la resistencia#
4l tener dierentes resistencias no slo nos va a modi-car el resultado sinotambi(n en +ue se ver +ue la turbina 9rancis tiene mayor potencialprctico +ue la turbina .elton# Esto se observa en la 9igura 6' donde sehacen las comparaciones de los potenciales tericos y prcticos obtenidos#
. ;onclusiones
*e obtuvo energa el(ctrica en las dos turbinas mediante un chorro de agua,circulando por un tubo de O#&A de altura#
Los voltajes promedios +ue se obtuvieron de los ensayos en la practica decada turbina son ;#'P para la turbina .elton y 6#O para la turbina9rancis#
La turbina .elton tiene mayor potencia terica +ue la turbina 9rancis debidoa +ue la turbina .elton toma el OD de energa +ue gener el agua, encambio la turbina 9rancis slo toma el 'D# En esta ecuacin no se necesitavoltaje#
La turbina 9rancis tiene mayor potencia prctica +ue la turbina .elton
debido a +ue la turbina 9rancis tiene una resistencia de '#CC6 ohm, encambio la turbina 9rancis toma tiene ',6 ohm y al remplazar en la
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ecuacin para hallar la potencia practica, el potencial de la turbina 9rancisser mayor por tener menor resistencia ya +ue sus voltajes son casisimilares#
. (eco&endaciones
4ntes de instalar el sistema, realizar una limpieza a todas las tuberas, paraevitar posibles obstrucciones debido al tiempo +ue ha estado en desuso#
Hacer ingresar a la tubera agua +ue no tenga una concentracin de durezatan alta#
4l culminar la prctica, todo grupo de laboratorio, debe lavar las tuberas yveri-car +ue en su interior no se haya depositado materiales o sustanciasno deseadas#
10. (e