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DISEÑO DE UN MÓDULO INTERACTIVO DE GENERACIÓN HIDRÁ ULICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA

MARCELO BETANCOURT JURADO

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PEREIRA

2007

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DISEÑO DE UN MÓDULO INTERACTIVO DE GENERACIÓN HIDRÁ ULICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA

MARCELO BETANCOURT JURADO

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero mecánico

Director del proyecto Ing. JUAN FERNANDO LÓPEZ LÓPEZ

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

PEREIRA 2007

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Pereira, febrero 8 de 2007

Nota de aceptación

_________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________

Gabriel Calle Trujillo Decano Facultad de Ingeniería Mecánica

_________________________________ Juan Fernando López López

Director de proyecto

_________________________________ Edison Henao

Jurado Calificador

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CONTENIDO

RESUMEN INTRODUCCIÓN 1.PRINCIPIOS FÍSICOS Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTR ICA 1.1 TURBINA PELTON 1.1.1 Cazoletas o cucharas 1.1.2 El rodete

1.2 EL ALTERNADOR 1.3 BOMBA CENTRÍFUGA 1.4 VARIADOR DE FRECUENCIA 1.5 ACCESORIOS DE TUBERÍA 1.5.1 Tubería de presión 1.5.2 Válvula de compuerta 1.6 EJE 1.7 COJINETES Y RODAMIENTOS 1.8 TRANSMISIÓN POR CORREAS 2. DISEÑO CONCEPTUAL Y MECÁNICO DEL MÓDULO 2.1 DISEÑO CONCEPTUAL 2.2 DISEÑO MECÁNICO 2.2.1 Turbina pelton 2.2.2 Tobera

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2.2.3 Alternador 2.2.4 Barra de leds 2.2.5 Polea y correa 2.2.6 Eje 2.2.7 Unidad de rodamientos 2.2.8 Válvula 2.2.9 Estructura 2.2.10 Tubería PVC 2.2.11 Bomba centrífuga 2.2.12 Sistemas de protección 2.2.13 Materiales 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

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LISTA DE TABLAS Tabla 1. Diferentes dimensiones de turbina que resultan al variar el diámetro del orificio. Tabla 2. Valores del coeficiente de fricción f entre la polea y la correa Tabla 3. Cálculo del ángulo de polea menor Tabla 4. Relación F1/F2 Tabla 5. Coeficiente concentrador de esfuerzos Tabla 6. Coeficiente de confiabilidad K

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Tabla 7. Coeficiente de temperatura Tabla 8. Selección de unidad de rodamientos Tabla 9. Propiedad de los materiales Tabla 10. Criterios de fallo de cosmos/works Tabla 11. Longitud de los tramos de tubería Tabla 12. Coeficiente K para reducciones de diámetro en tubería Tabla 13. Valores de K para accesorios en la succión Tabla 14. Valores de K para accesorios en la descarga Tabla 15. Valores de la curva del sistema y la bomba Tabla 16. Materiales de construcción

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LISTA DE FIGURAS Figura 1. Energía hidráulica Figura 2. Energía mareomotriz Figura 3. Energía de las olas Figura 4. Turbina de reacción Figura 5. Turbina de acción Figura 6. Turbina pelton Figura 7. Forma de las cucharas o cazoletas Figura 8. Partes de un alternador Figura 9. Bomba centrífuga Figura 10. Tubería Figura 11. Válvula de compuerta Figura 12. Soporte y rodamiento Figura 13. Conjunto de polea y correa Figura 14. Diseño previo 1 Figura 15. Diseño previo 2 Figura 16. Diseño final Figura 17. Dimensiones de la cuchara Figura 18. Fuerzas en la cuchara Figura 19. Tobera Figura 20. Transformador de 120:12v Figura 21. Circuito integrado de leds

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Figura 22. Diseño de correa Figura 23. Tipo de correa (perfil) Figura 24. Selección de correa Figura 25. Fuerzas actuantes en el eje Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del eje 1, planos (XY-XZ) Figura 27. Diagrama de cuerpo libre del eje 2, planos (XY-XZ) Figura 28. Diagrama de cuerpo libre del eje 3, planos (XY-XZ) Figura 29. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad del cubículo Figura 30. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad de tapa cubículo Figura 31. Operación del sistema de bombeo

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LISTA DE ANEXOS ANEXO A. Esfuerzo a fatiga (S`n) del acero inoxidable tipo 304, Esfuerzo de fluencia del acero inoxidable. ANEXO B. Factor de acabado superficial. ANEXO C. Curva característica de la bomba centrífuga. ANEXO D. Propiedades de la resina de polyester reforzada con fibra de vidrio. ANEXO E. Plano de despiece 01

Plano de despiece 02 Plano de conjunto 03 Plano de conjunto con lista de materiales 04

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RESUMEN

Las Empresas de Energía de Pereira en convenio con la Universidad Tecnológica de Pereira plantean el diseño de módulos interactivos de generación, distribución y comercialización de la energía eléctrica para la construcción de un parque temático en la ciudad de Pereira. El diseño planteado del módulo hará parte del parque temático interactivo. El proyecto se elaboró en cuatro etapas, desarrolladas en los capítulos que presenta el documento. Estas etapas son: recopilación de la información necesaria acerca del funcionamiento de cada uno de los componentes que forman parte del módulo, una segunda fase es la elaboración del diseño conceptual y mecánico que describe un paso a paso de lo que se hacía en el proceso de elaboración del diseño del módulo; tercera etapa, teniendo en cuenta los costos de las piezas y dispositivos validar la selección con base a los criterios de diseño y a los requerimientos especificados de funcionamiento; y por último, la elaboración del documento con los respectivos planos de la piezas necesarias para la construcción utilizando como fuentes de información libros, Internet, notas de clase entre otras que abarcan toda la ejecución del proyecto. El sistema de funcionamiento del módulo es un circuito cerrado, que opera con una bomba centrífuga autocebante, la cual toma el agua por el tubo de aspiración o succión, y dependiendo de las revoluciones y potencia del motor acoplado a la bomba, aumenta la presión del fluido y proporcional a éste se acopla una tobera al final de la tubería de descarga elevando la energía cinética del chorro para impactar en las cucharas de la turbina haciéndola girar. La turbina dispone de una carcaza para evitar salpicadura de agua y aprovecharla para la conducción del agua por efecto de la gravedad al mismo depósito de toma de agua de la bomba, siendo un proceso cíclico y repetitivo.

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INTRODUCCIÓN

La utilización de la energía hidráulica data de la época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica para bombear agua. Tanto la rueda hidráulica vertical como la horizontal se usaron en la edad media y el renacimiento en la agricultura, minas, industria textil, industria forestal y en el transporte. Al inicio del siglo XIX se instaló la primera turbina hidráulica. La energía hidráulica tuvo mucha importancia durante la revolución industrial; impulsó las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor operaban óptimamente, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible, por lo que la energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América. La generación de energía eléctrica es tal vez una de las principales fuentes de desarrollo y de mejoramiento de la calidad de vida del hombre actual, ya que gracias a ella, hoy en día es posible llevar a cabo un sin número de actividades que contribuyen al crecimiento integral de la sociedad, tanto desde el punto de vista científico y tecnológico, como industrial, cultural y económico. Por esta razón, la energía eléctrica se ha convertido en uno de los servicios sociales de mayor demanda e importancia en nuestro medio, haciéndose cada vez más indispensable para la ejecución de actividades de gran trascendencia.

En general puede decirse que la energía de origen hidráulico ha sido la de mayor acogida hasta el momento, a pesar del surgimiento de otras formas de obtención de energía eléctrica a partir de diversas fuentes de generación, tales como la energía nuclear, la eólica, la solar, entre otras; y debido a esa gran aceptación o respuesta que se logró de la generación hidroeléctrica (por facilidades de construcción, economía, impacto ambiental y costos de mantenimiento, pues utiliza como materia prima un recurso renovable), y a la importancia de la electricidad, cada vez se ha vuelto más especializado el estudio de este proceso, convirtiéndose en un amplio campo de acción de la ingeniería [11].

La Empresa de Energía de Pereira propone la construcción de un parque temático partiendo del diseño preliminar, que es lo que hace la necesidad de plantear este proyecto como trabajo de grado y notar la conveniencia en cuanto al acercamiento o correspondencia del principio físico de funcionamiento de las grandes hidroeléctricas existentes y de las dificultades que se presentan con el uso no racional de la energía eléctrica, además, el aporte a las actuales y futuras generaciones respecto de una actitud responsable y que partiendo del conocimiento de la situación energética actual del país, garantice una toma de

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conciencia de la necesidad del uso racional de la energía eléctrica, y la consecuente contribución a la protección del medio ambiente.

Teniendo en cuenta el principio de generación hidráulica de energía eléctrica y utilizando agua como fuente para generar electricidad, la realización del diseño del modulo interactivo de generación hidráulica de energía eléctrica comprende un análisis de selección muy detallado de cada uno de los componentes a utilizar, como también creatividad en la disposición y creación de piezas que requieran, teniendo en cuenta costos y planos para llevar a cabo su construcción. El modulo es una minicentral hidroeléctrica a pequeña escala, con el fin de que cualquier persona lo manipule o interactúe, dándose cuenta como funciona realmente una central hidroeléctrica.

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1. PRINCIPIOS FÍSICOS Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCT RICA La energía eléctrica hace parte de nuestra vida diaria y sin ella, difícilmente podría notarse el progreso que el mundo ha alcanzado. Es conveniente señalar que existen varias fuentes para generar electricidad entre ellas las fuentes de energía no renovable como el calor, la geotermia (calor interior de la tierra), energía nuclear, y las energías renovables como la solar, eólica, biomasa e hidráulica. La energía eléctrica se genera y se transmite simultáneamente de acuerdo a la demanda que se ve afectada por aspectos socioeconómicos, temperatura y consumo, uno de los retos para la ciencia es encontrar la forma de almacenar energía eléctrica en grandes cantidades. Como alternativa para este problema son los acumuladores o aprovechar la energía remanente para bombear el agua a depósitos o presas situados a cierta altura. La energía eléctrica se produce en los generadores o alternadores que constan en su forma mas simple de una espira que gira impulsada por algún medio externo y un campo magnético uniforme, generado por un imán, en el seno del cual gira la espira anterior.

En la actualidad, la generación de electricidad por medio de los aprovechamientos hidráulicos sigue siendo una excelente vía para el desarrollo de un país. En particular, brinda una solución muy viable técnica y económicamente para resolver las necesidades de las comunidades aisladas de la red nacional, donde generalmente disponen de ríos y pequeñas quebradas con las características apropiadas para la instalación de pequeños o medianos equipos. Esto permite disponer de energía mecánica o eléctrica para atender las necesidades básicas de una agroindustria o una pequeña comunidad rural. Una de las grandes ventajas que presentan los aprovechamientos hidráulicos es que se pueden implementar soluciones de pequeña escala (micro plantas) con tecnología ya probada y de muy fácil acceso en todos los países del mundo [2]. Adicionalmente, estas tecnologías contribuyen a obtener energía útil para diversas aplicaciones supliendo nuestras necesidades de energía presentes y futuras, disminuyen la contaminación del medio ambiente causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales, que utilizan combustibles fósiles como el carbón y productos derivados del petróleo. Estos gases contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta. Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de este tipo de energía: la falta de conocimiento de las tecnologías y capacidad institucional y técnica sin mucha experiencia.

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• Energía hidráulica La energía hidráulica se refiere al aprovechamiento de la energía potencial que tiene el agua (por diferencia de altura) que se obtiene buscando una caída de agua desde cierta altura a un nivel inferior, la que luego se transforma en energía mecánica (rotación de un eje), con el uso de una rueda hidráulica o turbina. Esta energía se puede utilizar directamente para mover un pequeño aserradero, un molino o maquinaria de un beneficio de café. También es posible conectar la turbina a un generador eléctrico y de esta manera transformar la energía mecánica en energía eléctrica, con la ventaja de trasladar con mayor facilidad la energía a los puntos de consumo y aplicarla a una gran variedad de equipos y usos productivos. Por lo tanto, la cantidad de potencia y energía disponible en el agua de un río o una quebrada, está en relación directa a la altura o caída disponible, así como de la cantidad de agua que se trasiega (caudal). Como estrategia inicial para escoger un posible aprovechamiento hidráulico se debe buscar la mayor caída o altura disponible y de esta manera usar la cantidad mínima de agua que se requiera para satisfacer las necesidades de energía y potencia [11]. Figura 1. Energía hidráulica

Fuente. Tomado de [11]

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Ventajas y desventajas Hay varios beneficios en el uso de la energía del agua. La energía hidroeléctrica tiene de moderada a alta cantidad de energía útil y bajos costos operacionales y de mantenimiento. Las plantas de energía hidroeléctricas emiten muy poco dióxido de carbono, que tiene efecto en el calentamiento global y es poco contaminante del agua durante el proceso de operación. Tienen una duración de vida de dos a diez veces más que las plantas de carbón y nucleares. Las presas que son usadas en las plantas de energía ayudan a prevenir las inundaciones y suministran una regulación del flujo, para el agua de riego, en las áreas por debajo de ésta.

De cualquier manera, hay algunas desventajas en el uso de la energía hidroeléctrica. Las plantas de energía hidroeléctrica requieren mucho espacio y esto causa la desaparición de hábitat para animales. Proyectos de gran escala pueden amenazar las actividades recreativas e interrumpir los flujos del río. Debido a la presencia de presas y reservorios, los peces posiblemente no sean capaces de nadar hacia el mar y la vida acuática puede decrecer en el área de la planta hidroeléctrica.

Energía mareomotriz

La energía de la marea es la principal vía que se ha explotado para generar electricidad a partir del mar.

El funcionamiento de las centrales mareomotrices es similar al de las grandes centrales hidroeléctricas. En un estuario1 se construye una presa que lo cierre de orilla a orilla. En la pleamar2, se cierran las compuertas, que se abren un par de horas antes de la bajamar3 para, aprovechando el desnivel generado entre ambos lados de la presa, producir electricidad. Las turbinas están colocadas en los túneles que desaguan la presa a través del dique.

Cuando se iguala el nivel del agua a uno y otro lado de la presa, no se puede seguir generando electricidad. Se cierran de nuevo las compuertas, y nuevamente, poco antes de la pleamar, vuelve a aprovecharse el desnivel, ahora del lado contrario, ya que está más alta el agua en el mar que en la ría4. Se abren las

1 Es la parte inferior de un valle fluvial que está cubierta de agua a consecuencia, generalmente, de la subida del nivel del mar. 2 Estado de la marea cuando alcanza su máxima altura. 3 Es la altura mínima del mar en un ciclo de marea. 4 Penetración del mar por la desembocadura de un río.

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puertas y nuevamente la corriente, que ahora procede del mar, acciona las turbinas y genera electricidad [16].

Estas centrales, lamentablemente, provocan un fuerte impacto ambiental. Para empezar, las aguas que vierten al mar no lo alcanzan como es debido. Además, los estuarios son los ecosistemas más productivos y sensibles del mundo; y la inundación que provoca la presa, tiene un efecto descomunal sobre la fauna del estuario, especialmente las aves.

Consecuencia de ello es que se han empezado a explorar otras maneras alternativas para aprovechar las mareas. Una de ellas es crear estanques artificiales. El principio es el mismo, pero en este caso se renuncia a usar la totalidad del agua de la ría, y únicamente se aprovecha la que penetra a (y sale de) los estanques. Pero para que este tipo de centrales sean rentables, los estanques deben ser de capacidad muy grande [16].

Figura 2. Energía mareomotriz

Fuente www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2005/02/23/140205.php

Energía de las olas

Para aprovechar la fuerza de las olas se coloca en la costa una estructura que tenga una 'boca' abierta. Las olas llenan la 'boca' de agua, y el aire atrapado sale

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a presión por unos orificios practicados en la parte superior de la estructura. Una turbina puesta a la altura de esos orificios mueven el generador. [16] Otra forma de aprovechar esta energía es usar boyas que flotan sobre las olas. Existen varios sistemas, en función de cómo se aprovecha el movimiento de las boyas. Las olas mueven una serie de flotadores tan largos como un tren de cinco vagones; cuando se mueve el fluido de su interior, a gran presión, produce energía. Además, estas boyas no tiene por qué disponerse en la costa; una central de un kilómetro cuadrado puede rendir hasta 30 MW [16]. Figura 3. Energía de las olas

Fuente www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2005/02/23/140205.php

Ventajas y desventajas

La energía del mar es limpia y renovable. Una vez construida la central de marea o de olas, la energía es gratuita e inagotable. No produce gases ni otros residuos.

La tecnología más desarrollada es la que aprovecha las mareas. Aún así, parece que cada vez se usarán menos. Dado que los costos e inversiones que conlleva la construcción de este tipo de centrales son muy altos para la energía que producen. Además , no se pueden instalar en cualquier sitio. Su rentabilidad

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únicamente es atractiva en aquellas zonas donde la diferencia de cota entre las mareas alta y baja es significativa.

Las centrales de marea únicamente pueden funcionar cuatro veces al día, es decir, coincidiendo con las pleamares y con las bajamares (durante unas 10 horas al día). Además, dado que existe un desfase entre la duración del día y la del ciclo de marea, que es lunar y dura 24,8 horas), las horas de producción varían de un día para otro y genera complicaciones en el sistema general de energía.

Se están desarrollando turbinas capaces de aprovechar las corrientes subacuáticas generadas por las mareas, en lugar de tener que levantar costosas presas. Ya que no hay que construir presas, además de reducirse el costo, se reduce también el impacto. No obstante, de momento sólo existen prototipos capaces de aprovechar esas corrientes de marea.

Por lo tanto, todo indica que serán las olas la fuente de energía del mar más importante. Las centrales de olas están aún en fase de desarrollo, pero para ahora ya han cosechado buenos resultados; posiblemente conozcan una evolución similar a la de los aerogeneradores en los próximos años.

Para aprovechar las alternativas de energía anteriormente mencionadas es conveniente tener una selección adecuada de la turbina hidráulica, y es por ello que a continuación damos una breve descripción de ellas [16]. • Turbinas hidráulicas La turbina hidráulica es el componente principal de una central hidroeléctrica, donde se transforma la energía contenida en el agua, en energía mecánica. Comparada con una rueda de agua, una turbina hidráulica logra mayores velocidades rotacionales y eficiencias de conversión que la hace más apropiada para la generación de electricidad. Existen diferentes tipos de turbinas. El tipo más apropiado para un proyecto depende de las condiciones topográficas e hidrológicas del sitio, siendo el caudal y caída las más importantes. Se distinguen turbinas de reacción y acción. Turbinas de reacción En este tipo de turbina, el elemento de rotación o estator está totalmente sumergido en el agua y encerrado en una caja de presión. El flujo del agua sobre las aspas causa diferencias de presión del agua que hacen girar al estator. La velocidad de rotación de las turbinas de reacción en comparación con turbinas de acción y bajo las mismas condiciones de caudal y caída, es alta [11].

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Esto hace que una turbina de reacción muchas veces se pueda acoplar directamente al generador sin necesidad de un sistema que incremente la velocidad. Algunos fabricantes producen combinaciones de turbina y generador, lo cual ayuda a disminuir el costo y simplifica el mantenimiento. La fabricación de turbinas de reacción es más sofisticada que las turbinas de acción porque tiene aspas más grandes y perfiladas. El costo adicional de producción se compensa con una mayor eficiencia y un simple mantenimiento. La fabricación más complicada hace que estas turbinas sean menos atractivas para sistemas nano- y micro-hidroeléctricas.

Francis: Es la turbina más aplicada en centrales grandes. Se caracteriza por que recibe el flujo de agua en dirección radial, orientándolo hacia la salida en dirección axial. Es más conveniente usar esta turbina cuando los saltos de agua están entre 15 y 150 m. Estas tienen una eficiencia de conversión entre el 90 y 94%.

Kaplan: Es una turbina de tipo hélice. Se compone básicamente de una cámara de entrada que puede ser abierta o cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas en forma de hélice de barco y un tubo de aspiración. Se puede usar esta turbina para caudales grandes y saltos de agua menores de 50 m. Las turbinas tipo Kaplan se consideran con eficiencia del 93-95%.

Figura 4. Turbinas de reacción FRANCIS

KAPLAN

Fuente . www.gom.com/EN/3d.coordinate.measurement/quality.control/turbines.html, Turbinas de acción El estator de una turbina de acción opera en aire y se propulsa por la energía cinética del agua que lo impacta a alta velocidad, provocada por uno o más chorros de agua. El agua está a presión atmosférica antes y después del contacto con el estator, por lo tanto sólo se necesita una cubierta para controlar el chapoteo

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del agua y prevenir accidentes. Este tipo de turbina es muy apropiada para sitios con pequeños caudales y grandes caídas, un escenario común para proyectos micro-hidroeléctricas. En comparación con la turbina de reacción, la de acción es más económica, de simple fabricación y mantenimiento, así mismo es menos susceptible a daños por la arena u otros materiales en el agua. Sin embargo, tiene menor eficiencia, gira a velocidades menores y no es muy apropiada para sitios con caídas bajas [11].

Pelton: Este es el tipo de turbina de acción más común. Consta de un disco circular que tiene montados en su periferia unas paletas en forma de doble cuchara y de un inyector que dirige y regula el chorro de agua que incide sobre las cucharas, y que provoca así el movimiento de giro de la turbina. Se usa cuando la caída de agua es grande (alrededor de 80 m). La eficiencia está entre el 84 y 92%.

De flujo cruzado: también conocida como de doble impulsión o Michael-Banki. Constituida principalmente por un inyector de sección rectangular provista de un álabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con múltiples palas soldadas por los extremos a discos terminales. Se usa para caídas bajas y medianas (10 – 80 m). La eficiencia se considera que alcanza del 70 al 80% [11].

Figura 5. Turbina de acción

PELTON

Fuente . www.pelton.vatew.com.mx/archivos/gallery.htm

Con frecuencia, los dilemas en la elección del tipo de turbina se presentan entre las Pelton y las Francis, debido a su buena comercialización y las condiciones de

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funcionamiento que ambas ofrecen. Por esta razón, resulta ser de gran ayuda hacer un análisis específico de estas dos clases de turbinas, el cual se presenta a continuación:

En la elección del tipo de turbina de reacción (Francis) o de acción (Pelton) se presenta una zona de indiferencia cuando Ns (velocidad específica) se ubica en las proximidades de 50. Lo mismo puede decirse respecto a la elección entre turbinas rápidas y de hélice cuando Ns tiene un valor máximo de 400. Entonces la elección depende de otras consideraciones de economía o de circunstancias de explotación de la central. Por ejemplo, cuando las aguas arrastran caudal sólido, que puede erosionar las turbinas, es más conveniente la turbina Pelton, en la que es muy fácil reponer la aguja y la boquilla de los inyectores a un bajo costo, mientras que en la Francis la reposición es más costosa en valor y tiempo. Si una central está destinada a suministro de fuerza con carga muy variable, como los casos de tracción eléctrica, es preferible emplear la Pelton que la Francis, porque ésta, a carga fraccionaria tiene mejor rendimiento.

Ventajas a grandes alturas de salto [1000 m]

Turbina Pelton

Más robustas Menos peligro de erosión de los

álabes Reparación más sencilla Regulación e presión y velocidad

más fácil Mejores rendimientos a cargas

parciales Infraestructura más sencilla

Turbinas Francis

Menor peso Mayor rendimiento máximo Aprovechan mayor desnivel,

debido al tubo de aspiración Alternador más económico

Dimensiones en planta de la central más reducidas

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Ventajas a alturas medias de salto [400m]

Turbinas Francis

Mayor economía en la turbina.

Menos coste de excavación y cimientos.

Mejores rendimientos a cargas parciales que las hélices de palas fijas.

Menor peligro de cavitación.

Turbinas Kaplan

Mejores rendimientos a cargas parciales.

Mejores rendimientos con alturas de salto variables.

Menos obra de fábrica que las hélices de palas fijas.

Alternador más barato.

Turbinas con hélices de palas fijas

Buen rendimiento máximo.

Más baratas que las Kaplan.

Gran admisión con saltos pequeños.

Alternador más barato.

Fuente. Tomado de [21] y [22] Las propiedades anteriores no deberán considerarse como absolutas, sino más bien como las más probables con alturas de salto en que pueden quedar duda de emplear uno u otro tipo de turbina. En una forma más general, puede decirse que estando definido el campo de aplicación por la altura del salto principalmente y por el caudal, deberá emplearse el tipo normal y rápido Francis para saltos de pequeña y regular altura (hasta 200m) aún con grandes caudales, y Francis lenta para altura grande y gran caudal, y para mucha altura (mayor de 60m) y pequeños caudales la rueda tangencial Pelton [21].

Partiendo del principio de funcionamiento de generación hidráulica de energía eléctrica se plantea el diseño del módulo interactivo utilizando un dispositivo mecánico como es la bomba centrífuga para elevar la presión del fluido y al mismo tiempo aumentar la energía cinética del fluido al pasar por la tobera ubicada al final de la tubería de descarga de la bomba, para luego impactar sobre las cucharas de la turbina y hacerla girar simultáneamente con el eje acoplado generando energía mecánica rotacional y al igual que las pequeñas centrales hidroeléctricas aprovechar esta energía mecánica por un generador o alternador para generar corriente eléctrica. Esta corriente generada es la que se pretende utilizar para alimentar un circuito de diodos leds que permiten visualizar que proporciones de corriente genera la turbina al variar el caudal de la bomba mediante un variador de frecuencia instalado en el motor de la bomba.

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A continuación describimos los principios físicos de los componentes pertinentes a la generación hidráulica de energía eléctrica del módulo.

• Turbina pelton • Alternador • Bomba centrífuga • Variador de frecuencia • Tubería de presión • Accesorio de tubería (válvula de compuerta) • Eje • Rodamientos • Transmisión por correas

1.1 TURBINA PELTON

Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con un alto desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90% [9]. Figura 6. Turbina pelton

1.1.1 Cazoletas o cucharas En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos,

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circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros [9]. Las cazoletas, en las versiones más modernas, tienen forma de elipsoide; la arista que las divide en dos puede quedar al ras de los bordes de las mismas, o a veces se queda algo adentro. Las medidas se adoptan en función del diámetro del chorro, para un óptimo funcionamiento de la turbina. Las cazoletas no se colocan exactamente en sentido radial, sino en forma tal que el chorro al alcanzar de lleno una de ellas, se halle perpendicular a la arista de la misma, quedando separada la cazoleta del inyector el mínimo que permita la construcción, atacándola el chorro lo más cerca posible de la corona del rodete, para que las pérdidas a la salida resulten más pequeñas [9]. Las cazoletas tienen que ir dispuestas de tal forma, que su separación no permita que se pierda agua, es decir, cuando el chorro abandone una, debe encontrarse con la siguiente.

Figura 7 . Forma de las cucharas o cazoletas

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1.1.2 El rodete Llamado también rotor de rueda, este elemento es el órgano fundamental de las turbinas hidráulicas. Consta, en esencia, de un disco provisto de un sistema de álabes, paletas o cucharas, el cual está animado por cierta velocidad angular. La transformación de la energía hidráulica del salto en energía mecánica se produce en el rodete, mediante la aceleración y desviación, o por la simple desviación del flujo de agua a su paso por los álabes. 1.2 ALTERNADOR Es un generador de corriente alterna que al pasar por una serie de diodos rectificadores se convierte en corriente continua, y que hemos seleccionado para la producción de energía eléctrica. Es el encargado de la transformación de energía mecánica en energía eléctrica. Esta acoplado mecánicamente al eje de la turbina, bien sea por acople directo o a través de una transmisión que por lo general es multiplicadora o divisora como para este caso (relación de diámetros). La demanda de energía eléctrica conectada a los bornes del generador tiene una componente activa y una reactiva; la activa se regula en el generador ajustando en la turbina el caudal a la demanda de energía activa y la componente reactiva causa variaciones de tensión, la cual se regula en un regulador de tensión.

Figura 8 . Partes de un alternador

Fuente. www.mimecanicapopular.com/vernota.php?n=266

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En la figura 8 se puede ver un plano de explosión, donde se observan y nombran los dispositivos o elementos que componen un alternador trifásico 1.3 BOMBA CENTRÍFUGA La acción del bombeo es la adición de energías cinética y potencial a un líquido con el fin de moverlo de un punto a otro. Esta energía hará que el líquido efectúe trabajo, tal como circular por una tubería o subir a una mayor altura. [8] Una bomba centrífuga transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en energía cinética y potencial requerida. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la punta de los álabes o periferia del impulsor y de la densidad del líquido, la cantidad de energía que se aplica por masa de líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba se debe expresar en metros (m). Para el sistema de bombeo se debe recordar que: 1) la carga se puede medir en diversas unidades como metros de líquido, presión en Pa, milímetros de mercurio, etc. 2) las lecturas de presión y de carga pueden ser manométricas o absolutas (la diferencia entre presión manométrica y absoluta varía de acuerdo con la presión atmosférica según sea la altitud). 3) Nunca se debe permitir que la presión en cualquier sistema que maneje líquidos caiga por abajo de la presión de vapor del líquido. Los elementos constructivos de los que consta la bomba centrífuga son: a) Tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. b) Impulsor o rodete , formado por una serie de álabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se

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produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación, en la voluta se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión. c) Carcasa o voluta . La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de álabes que guía el líquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta. La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión), aumentando la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta. [8]. Figura 9 . Bomba centrífuga

Fuente. Tomado de [19]

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En la figura 9, se observan cada uno de los elementos principales que componen a una bomba centrífuga, entendiéndose entrada como succión, y salida como descarga. 1.4 VARIADOR DE FRECUENCIA

El variador de velocidad, es un control para el motor de inducción tipo "jaula de ardilla" que es el motor más económico y simple que hay y se distingue por ser el mas usado en la industria por estas ventajas. Es el único control que energiza, protege y permite la variación de la velocidad en el motor. La ventaja principal de los variadores de velocidad es que disminuyen los consumos de energía eléctrica en algunos de los procesos que controla, dando como resultado considerables disminuciones de costos de operación. El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor.

Los variadores electrónicos se basan en la conmutación de dispositivos electrónicos para generar corriente trifásica de frecuencia y amplitud variable. El número de veces que éste se enciende y apaga por segundo se denomina frecuencia y se expresa en Hertz (Hz). Los primeros variadores daban una frecuencia hasta de 50-60 Hz pero los actuales llegan a dar hasta 750 Hz y se denominan de alta frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia mayor será la velocidad. Las ventajas de este dispositivo son dos: 1) por una parte ahorra el consumo de energía, ya que limita la corriente que llega al motor evitando que se sobrecaliente; 2) gracias a esa limitación de corriente, también prolonga la vida del motor. 1.5 ACCESORIOS DE TUBERIA

1.5.1 Tubería de presión

La tubería de presión debe ser preferiblemente recta, aunque en algunas ocasiones es difícil de obtener, debido a las condiciones de espacio de trabajo.

La tubería de presión esta compuesta por los siguientes elementos:

• Toma de agua, la cual está acompañada de una rejilla.

• Codos para variación de pendiente.

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• Juntas de unión.

• Juntas de expansión ubicadas entre anclajes, las cuales asimilan la contracción o dilatación del material por variación de temperatura.

• Bifurcaciones que le permiten dividir el caudal para varias unidades.

• Válvulas independientes a la tubería de presión ubicadas entre el final de la tubería y la turbina.

• Anclajes y apoyos que se encargan de sostener y variar la pendiente de la tubería de presión.

Para el dimensionamiento de la tubería deben de tenerse en cuenta los siguientes parámetros:

• El diámetro se selecciona de acuerdo con un análisis técnico y económico que permita determinar el diámetro que causa las menores perdidas y el de menor costo.

• El espesor se determina de acuerdo con los esfuerzos generados por el golpe de ariete, el peso del agua y de la tubería.

• El material de la tubería permite seleccionar tuberías de mayor resistencia a los esfuerzos mecánicos.

Debido a que el costo de tubería puede representar gran parte del presupuesto de una pequeña central es prioritario, entonces, optimizar su diseño para reducir no solo costos de mantenimiento sino la inversión inicial. Una selección adecuada del material y del espesor de la tubería de presión podrá significar beneficios económicos en la reducción del número de anclajes y de apoyos.

Para que los costos de mantenimiento sean bajos se deben de colocar los soportes y los anclajes de la tubería en pendientes estables y encontrar buenos cimientos; es importante aclarar que para la construcción del módulo no es mucho el tramo y diámetro de tubería necesario, por lo tanto, no influye mucho en los costos de inversión [14].

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Figura 10. Tubería

1.5.2 Válvula de compuerta Una válvula de compuerta consiste básicamente en un disco metálico que sube y baja a voluntad y que está ubicado en el cuerpo de la válvula. A mayores presiones las válvulas de gran diámetro se precisa una fuerza importante para operarlas y vencer la fuerza de fricción en la válvula. Por esta razón, cuando se coloca una válvula de compuerta grande en la parte inferior de la tubería de presión, se coloca también una pequeña válvula de bypass para conectar el lado de alta presión con el de baja presión [4]. En la categoría para cierre y paso, la válvula de compuerta supera a todas en porcentaje de unidades en operación, pero aún así tiene limitaciones. Estas válvulas no se prestan a un control preciso del flujo porque ocurre un porcentaje anormal de cambio de flujo cuando está casi cerrada y a alta velocidad. Tampoco se destina para servicio de estrangulación porque la compuerta y el asiento se erosionan con rapidez en cualquier posición que no sea la de apertura o cierre total. Cuando se abre ligeramente la válvula en un servicio de estrangulación, el disco y el asiento quedan sometidos a esfuerzos que causarían deformación y erosión que, a fin de cuentas impedirán un cierre hermético. Cuando están abiertas del todo, la mayor parte de las válvulas de compuerta permiten flujo lineal en un conducto que tiene el mismo diámetro que la tubería. Aunque hay variaciones, la válvula de compuerta, por lo general, produce menor caída de presión en el sistema que cualquier otro tipo de válvula.

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Es generalmente necesario instalar la válvula en la impulsión y alguna vez en la aspiración, a fin de poder aislar la bomba del resto de la instalación para repararla o retirarla de su lugar sin necesidad de descargar toda la tubería [6]. Figura 11. Válvula de compuerta

1.6 Eje

Los ejes son elementos indispensables en todo sistema de transmisión de potencia. Se construyen en acero, de sección maciza o hueca.

Las fallas mas frecuentes que pueden presentarse en los ejes son:

• Fracturas por los esfuerzos combinados repetitivos que originan las cargas y el torque que actúa en ellos

• Deformaciones laterales (flechas) y/o torsionales.

En cuanto al dimensionamiento de los ejes, la medida principal es el diámetro, el cual se determina para evitar que se produzcan las fallas anteriormente indicadas. En principio la longitud del eje debe ser lo más corta posible y la ubicación de los cojinetes de apoyo debe hacerse de modo que los momentos flectores resultantes en el eje sean bajos [14].

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1.7 COJINETES Y RODAMIENTOS

Los cojinetes son elementos que permiten soportar los ejes en movimiento, constituyendo elementos intermedios entre un cuerpo en movimiento (eje) y otro fijo (soporte) ligado a la estructura de la máquina. En el contacto entre ejes y cojinetes forzosamente se producirá un rozamiento y pérdidas de potencia en forma de calor; lo importante de las formas constructivas de los cojinetes radica en que permitirán que las pérdidas por rozamiento sean pequeñas [14].

Existen dos tipos de cojinetes que corresponden a los dos tipos de rozamiento conocidos: los cojinetes de deslizamiento, a los que comúnmente se les conoce como cojinete, a secas, y los cojinetes de rodamiento, a los que se conoce como rodamientos [14].

Los cojinetes de deslizamiento constructivamente pueden ser enteros (bocinas) o partidos; se construyen con materiales que permiten un bajo coeficiente de fricción en el contacto con los ejes de acero, como el bronce grafitado y el babit. Deben estar permanentemente lubricados. Sus dimensiones radiales son más reducidas que las de los rodamientos, lo que lo hacen preferidos en el caso de grandes dimensiones de los ejes.

De acuerdo con el tipo de carga soportado, los cojinetes pueden ser radiales y axiales; en el caso de turbinas y generadores de eje vertical, el cojinete superior tomara la carga axial de peso, llamándose de empuje, los otros cojinetes serán de guía.

Se cuenta con una amplia variedad constructiva de rodamientos aptos para atender diversos requerimientos de servicio. Los rodamientos constan sustancialmente de dos anillos, uno ligado al eje y el otro ligado al soporte; entre ambos se encuentra dispuestos los elementos de rodadura que pueden ser bolas o rodillos. De acuerdo con el tipo de cargas para la cual son mas aparentes, pueden también distinguirse como rodamientos radiales y rodamientos axiales. Para el caso de pequeñas y medianas dimensiones de los ejes, los rodamientos son preferidos a los cojinetes de deslizamiento por su mayor sencillez de lubricación y el mantenimiento.

La selección del tipo de rodamiento a utilizar depende de muchos factores como magnitud y tipo de carga, existencia de cargas variables, limites de velocidad, precisión de giro, rigidez, autoalineación, etc. Para pequeños montajes se

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emplean en general rodamientos de bolas por ser menos costosos. Una tabla del fabricante permite seleccionar el tipo de rodamiento

El tamaño del rodamiento se determina de acuerdo con las cargas que deberá soportar y por las exigencias sobre la duración y la seguridad de funcionamiento.

Estos aspectos se comparan con la capacidad de carga dinámica del rodamiento que está definida como la carga constante admisible para una duración nominal de un millón de revoluciones [14].

Figura 12. Soporte y rodamiento

1.8 TRANSMISIÓN POR CORREAS

Tienen una amplia aplicación en el caso de micro centrales hidroeléctricas. En ellas, la capacidad de transmisión de potencia depende de la fricción entre las correas y las ruedas que, a su vez, depende del coeficiente de rozamiento y del ángulo de contacto de la correa con la polea menor [14].

Ventajas

• Posibilidad de unir el árbol conductor con el conducido, dispuestos a distancias relativamente grandes.

• Aparte de los cojinetes, no se requiere lubricación.

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• Debido a que la transmisión es por fricción, en caso de sobrecarga se produce resbalamiento entre correa y poleas, lo que protege otros elementos en la transmisión y los equipos involucrados.

• Funcionamiento relativamente suave sin golpeteo originado por la propia transmisión.

• Sencillez.

• Costo inicial relativamente bajo.

Desventajas

• Grandes dimensiones exteriores.

• En caso de bajas velocidades, su empleo se limita a pequeñas potencias, ya que si las potencias fueran grandes, el número de correas y las dimensiones exteriores serian desproporcionadamente altas.

• Debido al resbalamiento relativo entre correas y poleas no puede garantizarse una relación de transmisión constante ni una sincronización entre los movimientos conductor y conducido.

• Duración relativamente baja.

• Normalmente se producen grandes cargas sobre los ejes y apoyos, y por consiguiente, considerables pérdidas de potencia.

Las correas de transmisión pueden ser planas y trapezoidales, aunque también existen las correas especiales dentadas. Las correas planas son relativamente más antiguas en los equipos y maquinarias. En un principio se fabricaban en cuero tratado; en la actualidad se fabrican en tejido de algodón y/o fibras sintéticas con entrecapas y recubrimientos exteriores de caucho o neopreno. En el caso de correas tejidas debe tomarse en cuenta que los tejidos soportan las cargas de tensión, y que los recubrimientos exteriores proporcionan la fricción necesaria, por lo que deben ser resistentes al desgaste superficial [14].

En el caso de correas tejidas con diferente número de telas, las correas planas se fabrican de diferente ancho y espesor. Deben empalmarse por sus extremos para alcanzar la longitud requerida; estos empalmes se obtienen mediante articulaciones metálicas de diferente tipo y también por vulcanizado, siendo este último el que les hace más eficientes, alcanzando hasta 100% de la resistencia de la faja. El lugar de empalme suele ser rígido y a veces más pesado que las otras partes de la correa, lo que produce un golpeteo en la polea y causa oscilaciones en la velocidad del movimiento. Las correas trapezoidales se fabrican en longitudes cerradas estándares a las que debe adaptarse la transmisión. El efecto

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de cuña que debe producirse en el contacto entre fajas y poleas crea el efecto equivalente a un altísimo coeficiente de fricción, lo que permite que la capacidad de tracción sea mayor que la correspondiente a correas planas y, por consiguiente, que se permitan menores ángulos de contacto y distancias más cortas entre los ejes de las poleas. El correcto tensado y alineamiento de los ejes es un requisito necesario para un buen funcionamiento, una duración adecuada de las correas, y para que no se produzcan cargas irregulares en los cojinetes.

Las correas dentadas se diferencian de las anteriores porque en ellas la transmisión es a través de una fuerza de contacto directo y no por fricción, lo que permite la sincronización en la transmisión del movimiento. Se fabrican empleando como elementos de tracción mas usuales cables de acero, aunque también se emplean tejidos de algodón y/o fibras, los forros y los cauchos o neopreno. Como se emplean cables, las correas dentadas se estiran poco bajo carga y, en consecuencia, la tensión inicial puede ser baja con bajas cargas en los cojinetes y prescindiendo de dispositivos tensores.

Otras características notables de las correas dentadas son: gran capacidad en pequeño espacio, funcionamiento silencioso a bajas velocidades, y tolerancia a un pequeño arco de contacto. En cambio, transmiten golpeteos debido a la forma del contacto [14].

Figura 13. Conjunto polea y correa

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2. DISEÑO CONCEPTUAL Y MECÁNICO DEL MÓDULO

A continuación se ilustra y se describe los 3 diferentes diseños planteados para la realización del diseño del módulo interactivo.

Inicialmente la idea que se tenía para el diseño del módulo, era a partir de el aprovechamiento de la turbina pelton como generador de energía mecánica rotacional y convertirla en energía eléctrica y como es un módulo interactivo, entonces, combinar esa turbina con elementos o materiales que se puedan construir de una forma tal que se asemejaran a los elementos que hacen parte de una verdadera central hidroeléctrica; bajo estas iniciativas de ideas se elaboró un primer diseño previo como se puede observar en la figura 14.

Figura 14. Diseño previo 1

La represa es un elemento que forma parte del diseño mecánico y es más representativo que funcional, ya que proporciona mejor claridad en cuanto a tener la suficiente altura o cabeza estática de presión requerida por la turbina para generar la suficiente demanda de energía eléctrica.

Observando la figura 14 y la figura 16, se puede notar la gran diferencia en cuanto a configuración de muchos de los elementos, entre ellos el cubículo o depósito de

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succión de la bomba, que es de gran importancia para el dimensionamiento de los elementos a construir y a seleccionar; también se puede observar la ausencia del generador, que es esencial en la transformación de energía.

Plantear un buen diseño y una selección óptima de materiales es partir de definir tamaños y proporciones de los elementos que van a formar parte del módulo. El cubículo tiene una longitud aproximada de seis veces el diámetro de la turbina y las demás dimensiones son proporcionales a la misma longitud, esto con el fin de justificar poco espacio, peso y facil transporte.

Otra consideración es estimar las cargas a las que están sometidos algunos de los elementos para calcular el factor de seguridad de diseño o dimensionamiento de la pieza si es el caso.

Figura 15. Diseño previo 2

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En la figura 15 se incluyen todos los componentes que forman parte del diseño final a excepción del conjunto de polea y correa que en ese instante no se concebía por tener la opción de acoplar directamente el alternador al eje de la turbina y descartarla en el diseño final debido a que el alternador que se seleccionó tiene datos característicos de operación como 1450 rpm, entonces, mediante la polea y correa que es un elemento de transmisión de potencia del eje al alternador y con una relación de transmisión de 2,5:3 garantiza el no sobrepaso de la velocidad angular limite del alternador.

Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente que se describe más detallado en los siguientes subcapítulos, se obtiene el diseño final para una futura construcción ilustrada en la siguiente figura.

Figura 16. Diseño final

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2.1 DISEÑO CONCEPTUAL DEL MÓDULO

El principio básico de funcionamiento del módulo es muy similar al de una PCH (pequeña central hidroeléctrica); la represa en el módulo es una representación muy sencilla que no cumple ninguna función de operación; sin embargo es un elemento que es de gran importancia en la realidad, ya que es el que proporciona la altura necesaria para que el chorro al final de la conducción tenga la suficiente energía cinética para impactar sobre las cucharas de la turbina y la haga girar. La bomba centrífuga es un elemento mecánico que tiene como función transportar un fluido de un lugar a otro y para este caso se tiene un circuito cerrado que consiste en tomar agua de un depósito y transportarlo a través de una tubería que está acoplada con una tobera en la descarga, aumentando la energía cinética del chorro e impactactando en la turbina al igual que la PCH. Seguidamente, esta misma cantidad de agua que sale y pasa por la turbina se atrapa, y se aprovecha la gravedad para conducirla al mismo depósito de succión de la bomba.

La turbina se acopla al eje mediante un chavetero y un prisionero, garantizando el no deslizamiento de la turbina y evitando una velocidad angular relativa entre turbina-eje. Al mismo tiempo este eje está apoyado o soportado por dos rodamientos en los extremos que descansan en los respectivos cojinetes; estos rodamientos están acoplados al eje con un ajuste de interferencia, y así permiten una rotación libre del eje y en conjunto con los rodamientos, para que al mismo tiempo se aproveche la energía rotacional del eje y por medio de un conjunto de polea y correa se transmita la rotación del eje al alternador, que es el dispositivo generador de corriente y es proporcional a las revoluciones de la turbina.

Finalmente la parte interactiva del módulo es indicar o visualizar la energía que se esta generando, por eso, se instala un variador de frecuencia al motor de la bomba centrífuga. Este variador lo que hace es modificar la frecuencia, y a su vez, variar las revoluciones del motor. Consiguiendo intencionalmente una variación en el caudal de descarga de la bomba.

Esta variación se puede hacer desde el tablero de control, que esta dispuesto en la parte frontal de visualización del módulo, una vez que se varía el caudal en la bomba, varían las revoluciones de la turbina debido a que el chorro impacta con mayor o menor energía cinética. Y como se mencionó anteriormente, esto se logra con el control del variador de velocidad. Proporcional a esta acción varía la velocidad en el alternador.

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Debido a que el alternador gira de acuerdo a la variación de caudal de descarga, el alternador genera corriente alterna que se utiliza en la visualización de la energía que se está generando, mediante un circuito integrado que contiene una barra de10 leds de color amarillo, verde y rojo.

En ese orden de colores los leds se encienden de acuerdo a la energía que se está generando en el alternador, y es ocasionado directamente por la variación de velocidad en el motor.

2.2 DISEÑO MECÁNICO

2.2.1 Turbina pelton Criterios de selección Para la selección de la turbina pelton, se toma como punto de partida el trabajo de grado [20], donde se puede observar el diseño detallado de este elemento del módulo. A continuación se hace un resumen de los parámetros utilizados y de los resultados obtenidos en dicho diseño. Datos obtenidos para el punto de partida en el diseño. Caudal = 4,99 l/s Cabeza estática = h= 17,59 metros columna de agua (m.c.a). Determinar el diámetro adecuado para el chorro con una velocidad tangencial y un número de revoluciones por minuto adecuada a nuestras necesidades, el procedimiento es como sigue:

• Se calcula la velocidad del chorro: Q= Caudal; A= Área del orificio. • Obtener la velocidad tangencial de la rueda en el diámetro con la ecuación

U= 0,41 V • Hallar el diámetro D de la turbina con la relación D/d= 12 aconsejada para

un máximo rendimiento. • Obtener a partir de D y U velocidad angular de la turbina así:

D

UN

*π= (2.1)

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• tomando diferentes diámetros de orificio entre 10 y 20 mm. Se obtuvieron los resultados anotados de la tabla 1.

Tabla 1. Diferentes dimensiones de turbina que resultan al variar el diámetro del orificio.

Diámetro Tobera

mm

Velocidad del chorro

m/s

Diámetro turbina

mm

N RPM

1 10 63,50 120 4145 2 12 44,12 144 2399 3 14 32,41 168 1510 4 15 28,23 180 1228 5 16 24,80 192 1012 6 18 19,60 216 710 7 20 15,80 240 518

Dimensiones de la cuchara Los siguientes son las configuraciones de dimensiones de la cuchara: a= 3,13 d b= 2,6 d c= 0,9 d w= 1,2 d

20=ϕ 8=β

Las convenciones se pueden ver en la siguiente figura.

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Figura 17. Dimensiones de la cuchara

Número de cucharas Partiendo de la relación D/d=12 y de la velocidad especifica Ns, se obtiene un total de 17 cucharas. Fuerzas en la cuchara Las cucharas tienen un peso aproximado de 85,5 gr, dato necesario para calcular la fuerza centrifuga:

grWU /2 (2.2) donde: W = peso de la cuchara, U = Velocidad tangencial en el diámetro medio de la rueda, r = Radio medio desde el eje hasta el centro de gravedad de la cuchara (aproximadamente de 90 mm). Se obtiene: Fuerza centrífuga= 12,99 kgf

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Fuerza producida por el chorro La fuerza producida por el chorro se calcula asumiendo una sola cuchara que se mueve con una cierta velocidad U, la cual es incidida por un chorro que lleva una velocidad V. Esta fuerza se calcula así: Fuerza del chorro= rVQ * (2.3) En donde Vr = Velocidad relativa del chorro con respecto a la rueda: Vr = (28,24 - 11,57) m/s. Fuerza del chorro= 8,47 kgf Con esta fuerza puede calcularse el valor del torque desarrollado en el eje; Torque = (fuerza chorro)*(radio medio)= 76,23 kg*cm. Cálculo de tornillos Debemos calcular las fuerzas resultantes en cada tornillo y para ello hacemos diagrama de cuerpo libre de la cuchara con las fuerzas actuantes. Figura 18. Fuerzas en la cuchara

F1 = 24.48 kg F2 = 32.95 kg F3 = 6.49 kg F4 = 6.49 kg Las resultantes de las dos fuerzas actuantes en cada tornillo. Se obtiene: F resultante en 1= 25,32 kg F resultante en 2= 33,14 kg

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Con la relación: Esfuerzo cortante = Fuerza/Área de la sección, se puede obtener un diámetro de 3,2 mm adoptando un factor de seguridad de cuatro. Sin embargo se seleccionó tornillos de 3/16” (4,76 mm). 2.2.2 Tobera La tobera convergente es un dispositivo que esta ubicado al final de la tubería para aumentar la energía cinética del chorro e impactar en las cucharas de la turbina haciéndola girar. La energía cinética requerida por la turbina es obtenida de la tabla 9 con su respectivo diámetro de salida. El paso del chorro a través del cambio de sección transversal de la tobera aumenta la velocidad y esto no quiere decir que el caudal sea regulado por este dispositivo. El caudal es regulado mediante un dispositivo electrónico llamado variador de frecuencia y esta conectado directamente al motor de la bomba. Teniendo en cuenta estos conceptos se selecciona la tobera como un accesorio reductor de tubería y con un coeficiente de perdida de k=0,36 (ver tabla 2). Las pérdidas que se producen en el sistema de operación de bombeo por la instalación de este dispositivo son estimadas en la selección de la bomba para el cálculo de la curva del sistema de operación. Las dimensiones y configuraciones se observan en los planos de despiece (ver anexo E). Figura 19. Tobera

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2.2.3 Alternador Es el generador utilizado en los automóviles combinado con algún sistema interno de rectificadores para la generación de corriente, que ha desplazado por completo al generador de corriente contínua de seis voltios. En el alternador el campo o rotor es el que gira y las escobillas que funcionan sobre anillos deslizantes casi lisos, no requieren rectificadores y el acumulador no puede devolver la corriente al alternador cuando el voltaje que produce es menor que el del acumulador. Por tanto, no se requiere corta corriente como en los sistemas antiguos con generador [20]. El alternador es el resultado del perfeccionamiento de rectificadores con semiconductores (diodos) de germanio y silicio. Para transformar la energía mecánica rotacional en energía eléctrica es necesario un generador o un alternador que para este caso es un alternador de automóvil trifásico, independiente de la capacidad de corriente que pueda generar, pero a mayor capacidad de corriente mayor es el costo. Para propósitos de aprovechar la potencia generada por la turbina se seleccionó un alternador de vehiculo con una capacidad de 40 amperios a 12 voltios. Para el funcionamiento del alternador es necesario de una fuente de excitación de 12 voltios para alimentar los polos electromagnéticos que forman el campo magnético del alternador. El rotor es la parte móvil giratoria que se localiza en el interior del estator. Está hecho a base de placas apiladas y montado sobre el eje del alternador. Dispone de unas ranuras donde van colocados los conductores que forman la bobina de inducido que están cerrados sobre sí mismos constituyendo un circuito cerrado. Al ser afectados los conductores por un campo magnético variable se generan en ellos f.e.m. que dan lugar a corrientes eléctricas. Al circular las corrientes eléctricas por unos conductores dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas que obligan al rotor a moverse siguiendo al campo magnético. A continuación se muestran las conexiones respectivas de la fuente de 12v.

43

Figura 20. Transformador de 120:12v

2.2.4 Barra de leds. La parte didáctica del proyecto es representar la energía que se está generando por medio de una barra de 10 leds que indican en un rango luminoso desde amarillo hasta rojo, la energía que esta generando el impacto del chorro de agua sobre la turbina pelton. La instalación de esta barra requiere del siguiente circuito eléctrico a la salida del generador.

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Figura 21 . Circuito integrado de leds

El ajuste de referencia se hace con base en el voltaje máximo que entrega el generador. El valor de las resistencias R1y R2 se hace con base en la siguiente ecuación:

21080)1

21(25.1 6 Rx

R

RVref

−++= (2.4)

Si el voltaje máximo es 10v aproximadamente los valores pueden ser R1=1,24 kΩ y R2=8,06 kΩ Vref = 10,0198 V, cuando este voltaje este en el pin (SIG) se enciende el ultimo led (D9). El divisor de tensión a la entrada (SIG) sirve para ajustar la tensión máxima que entra al circuito integrado. 2.2.4 Polea y correa.

Seleccionar una polea de 3” para el eje garantiza el no sobrepaso de la velocidad angular límite del alternador en caso de operar la bomba por encima del punto de mejor eficiencia, ocasionando mayor impacto en la turbina.

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Criterios de selección correa Datos iniciales: Velocidad Angular = N =1228 rpm; Potencia ≈1 HP Distancia entre centros = C = 30,48 cm. (asumida) Diámetro primitivo polea eje = D1 = 3” Diámetro primitivo polea alternador = D2 = 2 -1/2” (Propia del alternador) Con la velocidad angular en rpm y potencia en HP de la turbina, utilizamos la siguiente figura para la selección del tipo de correa. Figura 22. Diseño de correa

Fuente : tbwoods.com En la figura se ilustra la región perteneciente a los dos tipos de correa opcionales para la transmisión de potencia del eje de la turbina al alternador. El fabricante recomienda la correa AX (correa dentada) para potencia alta y la correa AP (correa plana) para potencia baja. De acuerdo a lo mencionado anteriormente se seleccionó la correa “V” plana tipo AP ya que es mas comercial y cuenta con las siguientes características de perfil ilustradas en la figura.

46

Figura 23 . Tipo de correa (perfil)

Fuente www.tbwoods.com Longitud de la correa La siguiente ecuación da un valor lo suficientemente exacto de la longitud externa de la correa para una configuración abierta.

C

DDDDCL

4

)12()21(

22

2−+++= π (2.5)

L=32,64” Longitud interior=32,64-1,3=31,34” De la siguiente tabla seleccionamos correa AP30 L=31,3=Longitud interior L=31,3+1,3=32,6”

47

Figura 24 . Selección de correa

Fuente: www.tbwoods.com

Precisión de la distancia entre centros La distancia entre centros, se recalcula para la longitud de la correa seleccionada en la tabla

[ ]16

)12(32)21(24)21(24 22DDDDLDDL

C−−+−++−

=ππ

(2.6)

C=11,9777” ≅ 12” Ángulo de contacto El ángulo de contacto de la polea menor es

48

)2

12(cos2 1

1C

DD −= −θ (2.7)

º61,1771 =θ

Fuerzas en el lado flojo y tenso y fuerza sobre el árbol

Fórmula de Euler θfeF

F =2

1 (2.8)

La máxima relación entre las fuerzas en el lado tenso F1, y en el lado flojo F2, para evitar el resbalamiento entre la correa y las poleas. Para asegurar una adecuada transmisión de potencia, esta relación debe ser menor que la dada por dicha ecuación (lo que implica mayor tensión inicial). La superficie de la correa es de tejido de algodón y la polea es de hierro ACRO, el coeficiente de fricción, f, es de 0.22 (tabla 6), para correas en V debe calcularse un coeficiente de fricción reducido

66,03)2/(

' =≅= fsen

ff

α (2.9)

Tabla 2. Valores del coeficiente de fricción f entre la correa y la polea Material

de la correa

Material de la polea Acero con

aceite

Acero con

grasa

Acero húmedo

Hierro acero

madera papel

Cuero curtido en roble

0,12 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Cuero curtido

con minerales

0,20 0,25 0,35 0,40 0,45 0,50

Lona 0,10 0,12 0,15 0,20 0,23 0,25 Balata - - 0,20 0,32 0,35 0,80

Tejido de algodón

0,10 0,12 0,15 0,22 0,25 0,28

Caucho - - 0,18 0,30 0,32 0,35 Caucho -

Lona - - 0,2 0,35 0,38 0,4

49

Donde α es el ángulo de la ranura de la polea (34 a 38º; dependiendo del tamaño de la polea (Tabla 7). Reemplazando f’ en la ecuación, para la polea pequeña (que es la mas critica en cuanto al riesgo de deslizamiento) se obtiene.

935.12

1 1*66.0 == eF

F (2.10)

Tabla 3. Cálculo del ángulo de polea menor

Tipo de correa Rango diámetro A α A Hasta 3” 0,4375 34º

Como se dijo esta relación debe ser menor que el valor obtenido con la ecuación de Euler. La tabla 3.3 recomienda que para º61.177=θ , F1/F2=5 Tabla 4. Relación F1/F2

Ángulo de contacto

F1/F2

180 5,0 175 4,78 170 4,57 165 4,37 160 4,18 155 4,0

El torque en una transmisión por correas es producido por la diferencia de las fuerzas en el lado tenso y lado flojo, multiplicada por el radio primitivo de la polea. Velocidad periférica de la polea menor

segmnD

V /4,31000*60

222 == π

(2.11)

kgfV

PF 67,22

75*

2

== (2.12)

F1/F2=5 y F=F1-F2 (2.13 y 2.14)

F1=28,3375 kgf F2=5,6675 kgf Estas fuerzas se tienen en cuenta en el diagrama de fuerzas actuantes en el eje para cálculos del diámetro.

50

2.2.6 Eje La distribución de cargas y las dimensiones para el cálculo del eje aparecen en la siguiente figura. Criterios de diseño Figura 25. Fuerzas actuantes en el eje

Datos calculados a partir de las cargas en el eje; Material del eje = acero inoxidable Peso de la turbina= 2,38 kg Fuerza total (F1+F2) producida por la banda en “V” = 34,05 kg; Momento torsor máximo = 76,23 kg-cm Momento flector máximo = 272,4 kg-cm; Diagrama de las fuerzas que actúan en el eje.

51

Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del eje 1, planos (XY-XZ)

Análisis por fatiga según método ASME

31

21

22

4

3

'

32

+

=y

fS

T

nKS

MK

Nd

π (2.15)

6,1=fK Chavetero recocido de perfil; se analiza por ser un punto concentrador

de esfuerzos y donde podría ocurrir falla. Tabla 5. Coeficiente concentrador de esfuerzos

CHAVETERO FLEXION Perfil 1,6 Ka = 0,89 Coeficiente de acabado de superfície (ver anexo B); Kb = 1,189*de

-0,097 = 0,889 Coeficiente de tamaño para flexión; Donde: Sección circular de=d

814,0=cK Confiabilidad del 99%

52

Tabla 6. Coeficiente de confiabilidad Kc

Confiabilidad Kc 50% 1 90% 0,897 99% 0,814

99.9% 0,759 99.99% 0,702 99.999 0,655

1== ed KK Coeficiente de temperatura, tamaño y efectos varios

Tabla 7. Coeficiente de Temperatura

Kd=1 T < 450 ºC (840 F) Kd=1 - 0,0058 (T - 450) 450 ºC < T < 550ºC Kd=1 - 0,0032 (T - 840) 840 F < T < 1020 F

644,0**** == edcba KKKKKK M=272,4 kg-cm (Momento flector máximo); T=76,23 kg-cm Impacto del chorro sobre la cuchara (Momento torsor máximo); S’n= 165 MPa (Esfuerzo a fatiga); (Ver anexo A) Sy = 205 MPa (Esfuerzo de fluencia); (Ver anexo A) N=2 Asumido (Factor de seguridad); Si utilizamos un factor de seguridad muy grande, mayor será el diámetro del eje, además, el tiempo de servicio del módulo no son las 24 horas del día. Por tanto, d=20,1753 mm d=20 mm valor estandarizado (Ver planos en anexo).

53

Figura 27. Diagrama de cuerpo libre del eje 2, planos (XY-YZ)

En la figura 27 se representan las fuerzas que le producen al eje las correas, la turbina y los apoyos que están distribuidos de la siguiente forma: • A y B son los apoyos o unidades de rodamientos • El peso de la turbina es 2,38 kg • Las fuerzas tensionantes de la correa son (F1+F2) • Y 8,47 kg es la fuerza de impacto del chorro sobre las cucharas M=194,41 kg-cm (en la polea momento flector máximo); S’n= 165 MPa (Esfuerzo a fatiga); (Ver anexo A) Sy = 205 MPa (Esfuerzo de fluencia); (Ver anexo A) N=2 Asumido (Factor de seguridad); Análisis por fatiga según método ASME El momento flector máximo del eje ocurre donde esta ubicada la polea (F1+F2=34,05 kg de la figura 27), debido a las fuerzas tensionantes de la correa, ahí mismo, existe momento torsor, por tanto, la ecuación es la siguiente:

31

21

22

4

3

'

32

+

=y

fS

T

nKS

MK

Nd

π

La polea está fija al eje mediante un chavetero de perfil

fK =1,6

Utilizando las tablas de los coeficientes obtenemos:

aK =0,89 Coeficiente de acabado de superficie (ver anexo B);

54

Kb = 1,189*de-0,097 = 0,889 Coeficiente de tamaño para flexión;

814,0=cK Confiabilidad del 99%

1== ed KK Coeficiente de temperatura, tamaño y efectos varios Reemplazando en la ecuación (2.15) d=18,05 mm Figura 28. Diagrama de cuerpo libre del eje 3, planos (XY-YZ)

En la figura 28 se representan las fuerzas que le producen al eje las correas, la turbina y los apoyos que están distribuidos de la siguiente forma: • A y B son los apoyos o unidades de rodamientos • El peso de la turbina es 2,38 kg • Las fuerzas tensionantes de la correa son (F1+F2) • Y 8,47 kg es la fuerza de impacto del chorro sobre las cucharas M=154,61 kg-cm (Momento flector máximo); S’n= 165 MPa (Esfuerzo a fatiga); (Ver anexo A) Sy = 205 MPa (Esfuerzo de fluencia); (Ver anexo A) N=2 Asumido (Factor de seguridad); Análisis por fatiga según método ASME El momento flector máximo del eje ocurre en el apoyo B de la figura, ahí mismo, no existe momento torsor, por tanto, la ecuación es la siguiente:

3/1

'*

32

=nKS

MK

Nd fπ

(2.16)

En el apoyo no existe concentrador de esfuerzos, contrario a los casos anteriores.

fK =1

55

De igual forma calculamos los coeficientes y obtenemos:

aK =0,89 Coeficiente de acabado de superficie (ver anexo B); Kb = 1,189*de

-0,097 = 0,889 Coeficiente de tamaño para flexión; 814,0=cK Confiabilidad del 99%

1== ed KK Coeficiente de temperatura, tamaño y efectos varios Reemplazando en la ecuación (2.16) d=14,27 mm Criterio de selección de configuración del eje Para el dimensionamiento del eje se plantearon tres configuraciones diferentes dispuestas de izquierda a derecha de la siguiente manera: Primera configuración: polea, soporte A, turbina y soporte B Segunda configuración: apoyo A, polea, apoyo B y turbina Tercera configuración: apoyo A, polea, turbina y apoyo B Para las distintas configuraciones se calculo el diámetro del eje bajo el criterio de análisis por fatiga según método ASME, obteniendo la dimensión necesaria del eje para soportar las cargas. Seleccionar la configuración calculada de menor diámetro (tercera configuración) es la recomendable por criterios de diseño, ya que este eje tiene un diámetro inferior a las demás configuraciones calculadas y soporta las mismas cargas. Otro criterio son los costos del material del eje ya que son proporcionales a las dimensiones del eje. Sin embargo la configuración seleccionada para el planteamiento de este diseño es la primera ya que presenta una mejor distribución de componentes para la visualización, interacción y entendimiento de operación del módulo. Siendo mínima la diferencia de dimensiones del eje entre la primera y tercera configuración, también, entonces los costos de material son relativamente bajos. Esto permite una selección libre de cualquiera de las tres configuraciones planteadas.

56

2.2.7 Unidad de rodamientos Material compuesto: Poliamida reforzada con fibra de vidrio que incorpora un refuerzo de espiras de acero, chapa de acero. Fijación al eje Se puede elegir entre cuatro sistemas diferentes para fijar los rodamientos Y y los soportes con rodamientos Y de SKF sobre el eje: • Prisionero; • anillo de fijación excéntrico; • manguito de fijación y • ajuste de interferencia

Los soportes Y-TECH de chapa de acero de las unidades con rodamientos Y pueden soportar las mismas cargas que los rodamientos que incorporan.

Selección del tipo de unidad – Cargas

Las unidades de rodamientos con soportes de chapa de acero están diseñadas para cargas moderadas y son menos adecuadas para las cargas de choque. La obturación estándar para los rodamientos Y y sus soportes SKF ofrece una buena protección contra el polvo y los contaminantes sólidos, y también ofrece una retención fiable del lubricante dentro del rodamiento.

Se recomienda el uso del diseño SYK 20TR, para entornos con un alto nivel de contaminación que requieren una larga vida útil. En este caso, la obturación estándar del rodamiento está reforzada con una chapa esparciadora con caucho es decir, la placa deflectora de chapa de acero tiene un labio obturante de caucho vulcanizado. Selección del tipo de unidad - Temperaturas de func ionamiento permisibles Las temperaturas de funcionamiento permisibles para los soportes con rodamientos Y están determinadas principalmente por los rodamientos incorporados, el material de la jaula, el material o materiales de la obturación y la grasa con la que están lubricados.

Los márgenes de temperaturas de funcionamiento permisibles son los siguientes.

• rodamientos estándar: –20 a +110 °C

57

• rodamientos estándar en soportes de chapa de acero con casquillos RIS: –20 a +100 °C

Si se requiere que los soportes con rodamientos Y funcionen durante largos periodos de tiempo a temperaturas superiores a 70 °C, se recomienda utilizar soportes de fundición, ya que pueden relubricarse. La relubricación debe ser frecuente. Tabla 8. Selección de unidad de rodamientos. Diámetro

mm

Carga estática

C kN

Velocidad límite RPM

Masa kg

Designación unidad de rodamiento

Soporte

Rodamiento

20 12,7 5000 0,24 SYK20TR SYK20 YAR2042RF Las cargas estáticas en los apoyos del eje son 37,57 y 11,99 kg respectivamente. Apoyo A=368,186 N Apoyo B=117,502 N Comparando los valores de los apoyos con la carga estática admisible por la unidad de rodamiento garantiza la mejor selección. 2.2.8 Válvula. El módulo cuenta con una válvula de compuerta que está ubicada en la tubería de impulsión por seguridad de la bomba y mantenimiento de instalación. La válvula es un dispositivo que opera en dos posiciones abierta y cerrada, no sirve para regular caudal, si fuese el caso produce vibraciones, pérdidas y fatiga en la válvula ocasionando daño. La válvula es seleccionada principalmente por el diámetro de la tubería de impulsión. Se seleccionó la válvula de compuerta de 1 ½” Redwhite. 2.2.9 Estructura. La estructura (cubículo) esta construida en resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio tipo E para soportar cada uno de los elementos que componen el modulo.

58

Es necesario considerar las propiedades de algunos de los materiales que forman parte del módulo para estimar los pesos y hacer un análisis de esfuerzos en el cubículo y tapa para garantizar la confiabilidad de la construcción (Ver anexo de propiedades de resina reforzada de polyester). Tabla 9. Propiedades de los materiales Componente Densidad (gr/cm 3 ) Peso en gramos

Carcaza 1,19 1276 Represa 1,19 5863,98

Represa posterior 1,19 3268,84 Turbina pelton - 2380

Alternador - 3500 Eje 7,93 1476,7

Unidad de rodamiento - 240 Tapa cubículo 1,07 11000

El análisis basado en el Método de los Elementos Finitos desarrollado en COSMOS/Works es el siguiente: en primer lugar se aplican directamente sobre la geometría las cargas y condiciones de contorno que soporte la pieza, además se definen las propiedades del material, y se realiza el mallado por elementos finitos. La siguiente fase es la resolución del problema, y por último el "postprocesado" de los resultados, es decir, la representación en pantalla de desplazamientos y tensiones sobre la deformación de la pieza.

El cálculo del factor de seguridad se hace con base en los esfuerzos de von Mises o teoría de von Mises-Hencky (también conocida como la teoría de la Energía de Cortadura, o Teoría de Máxima Distorsión de Energía). Esta teoría establece que el fallo en materiales dúctiles ocurre cuando la energía de distorsión por unidad de volumen del material iguala o excede la energía de distorsión por unidad de volumen del mismo material cuando alcance el límite elástico en el ensayo de tracción. Esta teoría considera la energía asociada con los cambios de forma del material, y es muy adecuada para materiales dúctiles.

59

Tabla 10. Criterios de fallo de cosmos/works.

Teoría de máxima tensión von Mises

ite

vonmises

limσσ

<1

Teoría de la máxima tensión de cortadura (Teoría de tresca )

itelim

max

5,0 στ

<1

Teoría de Mohr Coulomb

compresiontension σσ

σσ 21 + <1

Teoría de máxima tensión normal

itelim

1

σσ

<1

Las siguientes imágenes muestran a través de un mapa de colores directamente sobre el modelo cómo se reparte del Factor de Seguridad frente a tensiones von Mises en el Diseño. Este "Factor de Seguridad" resulta de dividir la tensión von Mises en cada punto entre el valor del límite elástico del material, obteniendo así una visión directa de la bondad del diseño, y permitiendo ver qué zonas son más propensas a fallar por las cargas estáticas.

De acuerdo con el criterio de falla von Mises, el factor de seguridad mínimo del cubículo es 36. En la figura 29 se observa que el mayor esfuerzo ocurre donde se deforma la pieza, y por lo tanto, el factor de seguridad mínimo se basa en el esfuerzo máximo. De modo que la pieza falla cuando el esfuerzo en ese punto es 36 veces mayor, superando este el valor del límite elástico del material.

El valor del factor de seguridad del cubículo indica que de acuerdo a las propiedades mecánicas, geometría, espesor y dimensión de las superficies donde esta aplicada las fuerzas me garantiza el buen funcionamiento y duración de la pieza. Para la simulación se tuvo en cuenta todas las cargas que pueden incidir en la estructura.

60

Figura 29. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad del cubículo

La imagen muestra los esfuerzos de von Mises como resultado del análisis de las cargas estáticas que actúan sobre el cubículo. Además, muestra los resultados de desplazamientos resultantes en (mm) sobre la deformación de la pieza (x 32).

De acuerdo con el criterio de fallo von Mises, el factor de seguridad mínimo de tapa de cubículo es 24. En la figura 30 se observa que el mayor esfuerzo ocurre donde se deforma la pieza, y por lo tanto, la pieza falla cuando el esfuerzo en ese punto es 24 veces mayor, superando este al valor del límite elástico del material.

En la tapa cubículo se apoyan la mayoría de los elementos que contiene el módulo, lo cual implica que las cargas que soporta esta pieza son puntuales y ocasionan mayores esfuerzos. Mientras que para la estructura (cubículo) la mayor carga es producida por la tapa cubículo quien es la que se apoya con una mayor área de contacto sobre la estructura. Es por esta razón que para la tapa cubículo el factor de seguridad es menor que para la estructura

61

Figura 30. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad tapa cubículo

La imagen muestra los resultados de desplazamientos resultantes en (mm) sobre la deformación de la pieza (x 354):

Para validar los resultados obtenidos en un Análisis por Elementos Finitos y comprobar que los mismos sean razonables, lo más importante es constatar que existe equilibrio de fuerzas entre cargas aplicadas y reacciones en los apoyos. Dicho equilibrio de cargas se cumple, por tanto podemos decir que los resultados se encuentran dentro de lo razonable.

En los anexos están definidas las dimensiones de estos dos componentes que aseguran la confiabilidad del diseño para soportar las cargas a las que están sometidos. (Ver anexo E)

2.2.10 Tubería PVC. La tubería de PVC es una de las más empleadas en las pequeñas centrales. Es relativamente económica, se producen en diámetros que van hasta cerca de 400 mm, y es adecuada para presiones elevadas (100 a 150 m.c.a). Al variar el espesor de la pared de la tubería se obtienen diferentes niveles de presión. Es liviana y fácil de transportar e instalar. Tiene un factor de pérdidas por fricción bajo y es resistente a la corrosión. No obstante, es relativamente frágil y puede ser dañada por golpes o impactos fuertes, en especial a bajas temperaturas. La principal desventaja radica en que el PVC se deteriora cuando se expone a la luz ultravioleta, la cual raja la superficie afectando seriamente la resistencia de la tubería. Por ello, siempre debe estar protegida de la luz solar directa, ya sea enterrándola, cubriéndola o pintándola.

62

Su costo es menor que los tubos equivalentes de acero y polietileno, y teniendo en cuenta el diámetro de succión y descarga de la bomba centrífuga, seleccionamos el diámetro de la tubería PVC para su operación [14]. Se selecciona el diámetro de la tubería de acuerdo a los diámetros de succión y de descarga de la bomba centrifuga que son 1 ½ pulgadas, igualmente los accesorios como las válvulas, codos y tobera. 2.2.11 Bomba centrífuga Los siguientes items representan los criterios esenciales requeridos para la selección de una bomba:

1. Cantidad de bombas requeridas. 2. Naturaleza de los líquidos que se van a bombear. 3. Capacidad requerida, así como cantidad mínima o máxima de líquido que

debe descargar la bomba. 4. Condiciones de succión. 5. Condiciones de descarga. 6. Tipo de servicio. 7. Instalación de la bomba. 8. Tipo y características de la fuerza disponible para mover la bomba. 9. Espacio, peso o limitaciones de transporte. 10. Localización de la instalación.

• Cantidad de bombas requeridas La cantidad de bombas requeridas es importante, principalmente para aumentar la confianza en las bombas; con frecuencia, son necesarias unidades de repuesto, especialmente en casos en los que la vida de la bomba puede estar expuesta a un servicio severo. Es importante determinar si se pueden operar en paralelo una o más unidades porque el funcionamiento hidráulico de cada unidad independiente puede necesitar adaptaciones para ese objeto. La selección entre el uso de una sola bomba y la instalación de varias bombas en paralelo para la demanda total esta influenciada por el factor de carga supuesto. Cuando la demanda total es demasiado baja para dividirla eficientemente entre dos bombas, puede usarse una sola bomba sin considerar el factor de carga, cualquiera que sea [8].

63

• Naturaleza del líquido Hasta cierto punto la naturaleza del líquido bombeado determina los tipos de bombas mas frecuentemente usados para el servicio de que se trata. Impurezas aparentemente insignificantes en el líquido pueden ser un factor altamente importante en la selección de los materiales adecuados, igualmente, la naturaleza del líquido que se va a bombear afectará mucho no solo el material de la bomba, sino, posiblemente, hasta la construcción mecánica mas apropiada para el servicio, dependiendo si el líquido es un ácido, álcali, o aceite. La temperatura del líquido bombeado es un factor muy importante. Una línea de bombas normales de servicio general tiene limitaciones definidas de temperatura. Las más altas temperaturas pueden exigir el uso de materiales especiales, estoperos enfriados con agua o características mecánicas especiales como el soporte de la cubierta en la línea de su centro. Se debe conocer cualquier variación grande de la temperatura de operación porque afectará el peso específico y la gama de viscosidad del líquido manejado. Si el líquido es agua, la presión de vapor puede determinarse fácilmente de tablas de vapor. Si se trata de cualquier otro liquido, la presión de vapor a la temperatura de bombeo debe anotarse cuidadosamente porque figura en forma importante para determinar si son o no satisfactorias las condiciones de succión existentes. Peso específico. Se debe conocer el peso específico para poder determinar el consumo de fuerza en las condiciones de diseño y para seleccionar el tamaño apropiado de impulsor. Una solicitud por una bomba frecuentemente expresa la descarga requerida o la presión neta en kg/cm2, que debe convertirse en metros de líquido manejado [8]. Viscosidad. Cuando la viscosidad del líquido manejado es distinta a la del agua la capacidad de la bomba, carga, y consumo de la fuerza se afecta apreciablemente por lo que son necesarios factores de corrección. • Capacidad requerida Cualquier bomba centrifuga puede trabajar ocasionalmente a mucho mas de su capacidad especificada, pero esto no siempre puede ser practico o permisible. Un aumento en capacidad significa una disminución en la carga generada; esto puede evitar la operación de la bomba con sobrecargas de emergencias si no se incluyo en el diseño un exceso de capacidad y si la bomba opera en una curva de carga del sistema, ya que las perdidas por fricción que constituyen parte de la carga requerida aumentaran con la capacidad. También puede quedar prohibido el bombeo de emergencia de sobrecapacidad si las condiciones de succión que prevalecen no dejan margen sobre las requeridas para la capacidad normal especificada. Finalmente, si aumenta el consumo de fuerza con la capacidad,

64

como sucede con la mayoría de las bombas centrifugas, la operación con capacidades mayores que las originalmente esperadas puede sobrecargar seriamente el impulsor de la bomba. La información sobre la capacidad de operación también es de gran importancia. En ciertos casos, la operación con capacidad extremadamente reducida, aun por periodos de tiempo muy cortos, es un peligro definitivo y debe evitarse. En otras ocasiones, la única desventaja de operar a capacidades reducidas es una economía deficiente, y un análisis completo del problema puede dar por resultado la instalación de pequeñas unidades adicionales que se operarían durante periodos de poca carga. Las condiciones correctas de succión para las bombas centrífugas son de gran importancia. A menos que la carga neta de succión positiva (NPSH) disponible sea igual a la requerida o mayor que la requerida por la bomba seleccionada a la capacidad de que se trata, la bomba estará incapacitada para ajustarse a sus condiciones de capacidad de diseño. Además la cavitación consiguiente dañara la bomba. Si se manejan líquidos fríos es necesario saber si hay carga en la succión o si la bomba opera con elevación de succión, y si es esto ultimo, cual será la elevación máxima. Si el líquido es caliente o esta a una presión cercana o igual a su presión de vapor, la bomba se deberá instalar con carga en la succión y la sumersión disponible debe describirse. En todos los casos es conveniente determinar separadamente la diferencia estática entre el nivel del líquido y la línea de centro de la bomba y las perdidas de fricción y de entrada en la tubería de succión. Si no se han determinado estas perdidas, generalmente será suficiente describir con precisión el trazo de la succión, con una lista de todas las longitudes, tamaños de tuberías y válvulas [8]. • Condiciones de descarga La carga de descarga para las condiciones de diseño deberá fijarse entendiendo que, generalmente, esta compuesta de elevación estática y perdidas por fricción en la tubería de descarga. Cualquier variación en la carga estática debe conocerse para determinar las cargas máximas y mínima contra las que se va a operar la bomba. Si se especifica una carga total excesiva se tiene realmente el mismo efecto que especificando una capacidad excesiva. Puesto que una bomba centrífuga siempre operaria en la intersección de su curva de carga-capacidad y la de carga del sistema, una bomba que desarrolla un exceso de carga, a menos que se estrangule artificialmente, descargara un exceso de capacidad ya que su curva de carga-capacidad cruzara la curva de carga del sistema a un flujo mayor.

65

• Tipos de servicio El factor de carga, supuesto, de la instalación considerada jugara un papel muy importante en la selección de la mejor bomba que se debe usar. Como se describió antes, el tipo de servicio afectara el número de unidades que cubran mejor los requerimientos de capacidad. Una bomba destinada a servicio continuo, sin embargo, deberá seleccionarse por su eficiencia, efectividad y larga vida. • Posición de instalación Mientras que la mayoría de las bombas centrífugas son unidades horizontales, ocurren circunstancias que hacen que una bomba centrífuga con un eje o rotación vertical sea más conveniente. • Características de la fuerza motriz Mientras que las bombas centrífugas modernas, generalmente se mueven con motores eléctricos, turbinas de vapor, o motores de combustión interna, se usan muchos otros tipos de impulsores y medios de transmisión de fuerza. Una bomba centrífuga, su impulsor y sus métodos de operación deben formar una unidad integral y armoniosa. La aplicación específica, para la cual se destina la bomba, dictara no solo la selección de la bomba en si, sino que también la de su impulsor [8]. • Espacio peso y limitaciones de transporte Algunas veces las bombas tienen que instalarse en lugares muy estrechos. En esos casos pueden preferirse las bombas centrifugas, porque solo necesitan una pequeña fracción del área del piso que requiere una bomba horizontal de la misma capacidad. Una bomba que opera a la velocidad máxima compatible con las condiciones de servicio reducirá también los requerimientos de espacio. Aunque el uso de las bombas directamente conectadas (monobloque) se introdujo, inicialmente, por consideraciones de economía en el costo inicial, la aplicación de esas bombas presenta ventajas definidas de economía de espacio. Finalmente, en gran numero de casos, el uso de bombas horizontales con succión por el fondo puede simplificar considerablemente el problema de acomodo en el área y de la tubería de succión. • Localización de la instalación La localización geográfica de la instalación tiene una gran influencia en la selección apropiada de la bomba y en su mantenimiento.

66

La elevación arriba del nivel del mar afecta a la bomba ya que hay una disminución de presión atmosférica de cerca de 8,33 cm. de mercurio por cada 100 m de elevación. A una elevación de 1220 m, por lo tanto, la presión atmosférica es 10,16 cm. de mercurio o cerca de 1,37 m menos de elevación de succión que al nivel del mar. Los alrededores próximos a una bomba afectaran su accesibilidad después de instalada. Una bomba localizada en una posición estrecha, sucia y húmeda o mal alumbrada será descuidada por los operadores, no dará servicio satisfactorio y será difícil para inspeccionar, desarmar y repararla [8]. Criterios de selección Es necesario un caudal Q=4,99 l/s y una cabeza estática H=17,59 m.c.a, para generar la potencia requerida y de acuerdo a estos datos iniciales, procedemos a seleccionar la bomba centrífuga. El fabricante ofrece un catalogo de curvas características de las bombas centrifugas, donde fácilmente con el caudal y la cabeza estática se ubica en la región de un cierto tipo de bombas características y observando que la capacidad de carga este cerca de el punto de mejor operación se selecciona la bomba centrifuga tipo autocebante de 2 HP y trifásica Teniendo en cuenta los factores predeterminantes como son: Presión atmosférica local Para el cálculo de la presión atmosférica local se utiliza la siguiente ecuación:

RT

yg

bePPb−

= (2.17)

Conociendo la altura sobre el nivel del mar y la temperatura media de Pereira:

Pb =85,86 kpa Características del fluido

Tipo de fluido: Agua. Temperatura: 15 °C Viscosidad cinemática (ν): 1,141x10-6 m²/seg. Viscosidad dinámica (µ): 1,14x10-3 Ns/m². Densidad del fluido: 999,1 kg/m³.

67

Densidad relativa: 0,9991 PV = 1665,66 Pa

Condiciones de operación teóricas Aplicando la ecuación de Bernoulli generalizada, para los estados 1 y 2, succión y descarga respectivamente:

totalespèrdidasbomba HHZ

g

VPZ

g

VP+−++=++ 2

2

221

2

11

22 γγ (2.18)

P1 = 86 kPa (Atmosférica) P2 = 86 kPa (Atmosférica) El depósito de succión y los tanques de descarga se encuentran abiertos a la atmósfera Por lo tanto:

( )totalespérdidasistema H

g

VVZZH +−+−=

2

2

1

2

212

(2.19)

Donde las pérdidas totales:

menorespérdidas

mayorespérdidas

totalespérdidas HHH += (2.20)

Las pérdidas mayores, se expresan:

g

V

D

LfhH f

mayorespérdidas

2

2

== (2.21)

Con ayuda de la ecuación de Swamee se puede expresar el factor de fricción en función del caudal:

68

2

0.9

2

0.9

πDυ

4Q

5.74

3.7D

εLn

1.325f

Re

5.74

3.7D

εLn

1.325f

+

=

+

=

(2.22)

Como se conoce la gravedad, viscosidad cinemática; se reemplazan en la ecuación y se obtiene la siguiente expresión general para las pérdidas mayores:

(2.23)

Las longitudes de succión y descarga en todo el sistema hidráulico se encuentran en la siguiente tabla: Tabla 11. Longitud de los tramos de tubería

Tramo Longitud (metros)

Diámetro Nominal

(pulgadas)

Diámetro interno

(pulgadas) Material Rugosidad

(metros)

Succión 0,35 1 1/2 1,81 PVC 1,3x10-5

Descarga 0,935 1 1/2 1,81 PVC 1,3x10-5

5

2

2

9.0

6

42

2

2

9.0

*

94.4

7.3

10948.0

2

16**

4

74.5

7.3

325.1

D

LQ

D

QDLn

h

gD

Q

D

L

D

QDLn

h

f

f

+

=

+

=

−ε

π

υπ

ε

69

Las pérdidas menores se expresan: (2.24) (2.25)

Los valores de coeficiente de pérdidas para cada uno de los accesorios que componen la tubería de succión y descarga son: Tabla 12. Coeficiente K para reducciones de diámetro en tubería

A2/A1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 k 0,5 0,45 0,36 0,20 0,07 0

Fuente : NTP 362

Tabla 13. Valores de k para accesorios en la succión

Accesorio Cantidad de accesorio

Diámetro (pulgadas)

K

Codo 90º Radio corto 1 1 1/2 0,9 Los valores de coeficiente de pérdidas para cada uno de los accesorios que componen la tubería de descarga, son:

Tabla 14. Valores de k para accesorios en la descarga

Accesorio Cantidad de accesorio

Diámetro (pulgadas)

K

Codo 90º Radio corto 2 1 1/2 0,9 Tobera 1 A2/A1=0,4 0,36 Válvula de compuerta 1 abierta 0,19

A continuación, tabulamos la curva del sistema que está expresado en función del caudal, hallado con las ecuaciones anteriores

4

2

42

22

082627.0

2

16

2

D

Qkh

Dg

Qk

g

VkhH

L

Lmenorespérdidas

=

===π

70

Tabla 15. Valores de la curva del sistema y la bomba

Valores de la curva del sistema

Q(G.P.M) H(pies) 3,96 3,01 7,92 3,76

11,88 4,89 15,85 6,39 19,81 8,26 23,77 10,49 27,73 13,10 31,70 16,08 35,66 19,42 39,62 23,14 43,58 27,22 47,55 31,67 51,51 36,50 55,47 41,69 59,43 47,25 63,40 53,18 67,36 59,48 71,32 66,15 75,28 73,19 79,25 80,59

Valore s de la curva característica bomba

Q(gpm) H(pies)

0 86 5 85

10 84 15 83 20 82 25 81 30 79,7 35 78 40 76 45 74,2 50 72,2 55 70,5 60 68 65 65,4 70 62 75 58,6 80 55 85 50,5 90 46 95 40,3

100 36 105 32

Para graficar la curva de la bomba centrífuga autocebante seleccionada se tabuló los datos de la misma curva característica.

71

Figura 31. Operación del sistema de bombeo

OPERACIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO

Los datos requeridos son el caudal y la cabeza estática para un mejor rendimiento de la turbina pelton y partiendo de estos datos se procede a calcular la bomba que disponga de ese caudal (Q=4,99 L/s); Para la mejor selección de la bomba centrífuga es necesario calcular la curva del sistema de tubería por el cual va a ser transportado el fluido con la ecuación de Swamee, y cruzando esta curva con la curva característica de la bomba obtengo un punto de intersección el cual es el punto de operación de la bomba. Siendo ideal que este punto se encuentre cerca del punto de mejor eficiencia de la bomba. La cavitación en la bomba no es un problema en esta instalación, ya que la pérdida de presión sufrida por el agua a la entrada del rodete no es suficiente para que el agua se vaporice, ya que, además de trabajar con agua fría, el nivel del depósito de agua es superior al nivel de la bomba.

Los siguientes son los datos característicos de la bomba centrífuga que se ajusta a los requerimientos y comportamientos del sistema: Bomba centrífuga tipo autocebante Modelo 5CCE 3450 RPM Diámetro de succión: 1-1/2 Diámetro de descarga: 1-1/2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 CAUDAL (G.P.M.)

CA

BE

ZA

(P

IES

)

SISTEMA

BOMBA

72

Potencia: 2,4 HP Voltaje: 220/440 Amperaje: 7/3,5 Diámetro del impulsor: 4,875” Fases: 3

2.2.12 Sistemas de protección.

Los interruptores electromagnéticos cumplen la tarea esencial de proteger a la línea del interruptor de sobrecargas muy bruscas e intensas como los cortocircuitos. Como lo dice su mismo nombre, está constituida de algunas bobinas de electrodos, opuestas en serie a la carga, por lo tanto recorridas por la corriente que atraviesa el interruptor. Esta bobina tiene la función de provocar el funcionamiento del interruptor si es que la corriente supera un valor mucho más alto que el valor nominal. El funcionamiento del interruptor en este caso se da porque la bobina recorrida por la corriente de defecto genera un campo magnético muy intenso y es capaz de abrir los contactos del mismo interruptor a través de los resortes precargados. Los interruptores necesitan muchos más esfuerzos para ser armados que para poderse abrir: esto se debe a la presencia de resortes que se comprimen y almacenan la energía necesaria para tener comprimidos los contactos durante el funcionamiento y para abrir el interruptor en caso de defecto. Los interruptores de corriente son inevitables cuando se hay conexiones eléctricas y mucho más cuando hay presencia de máquinas eléctricas que tienen características de operación, entre ellas una corriente nominal de 7,0 Amp para la bomba centrífuga.

2.2.13 Materiales En la siguiente tabla se incluye los materiales necesarios para la construcción del módulo con sus respectivos costos.

73

Tabla 16. Materiales de construcción

PIEZAS CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR UNITARIO EN

PESOS

VALOR TOTAL EN

PESOS Bomba

centrífuga 1 Modelo 5CCE

Autocebante, 3 Fases

802 600 802 600

Represa en Acrílico

1 Espesor de 4 mm

390 000 390 000

Depósito de Fibra de Vidrio

1 Construir con rodachín

1 100 000 1 100 000

Eje 1 TIPO 304 115 000 150 000 Turbina Pelton 1 Aluminio 250 000 250 000

Unidad de Rodamientos

2 SYK20TR 50 000 100 000

Tubería PVC 1 RDE21 30 000 30 000 Alternador 1 1450 RPM

40 Amp 12Voltios

130.000 130 000

Accesorios de tubería

2 RDE21 3 000 6 000

Tobera 1 Bronce 1 40 000 Chaveta 2 Acero 5000 10 000

Prisionero 2 M5X20 200 400 Válvula de Compuerta

1 Redwhite 78 000 78 000

Carcaza turbina en

acrílico

1 Espesor de 4 mm

35 000 35 000

Variador de frecuencia

1 Danfos 2 185 000 2 185 000

Conjunto de polea y correa

1 Acero 30 000 30 000

Total en pesos 5 337 000

74

Se recomiendan algunos pasos a seguir para la construcción de los elementos que componen el diseño mecánico • Con los planos ubicar las respectivas perforaciones que se le deben hacer a

algunos elementos del módulo para la trayectoria de la tubería. • Ensamblar y fijar los elementos que van a estar soportado por la tapa de

cubículo, para luego, fijar estos al cubículo. • Ensamblar todos los elementos que van a estar unidos al eje como son la

turbina y unidades de rodamientos que van a estar fijos al cubículo mediante los soportes de los rodamientos, luego de ensamblar la tapa de cubículo.

• Observar que las cucharas estén alineadas al punto medio de la distancia entre

soporte y soporte, para luego ensamblar la tubería de descarga de la bomba, a partir del tramo final (tobera). Acoplar la válvula de compuerta, seguidamente unir el tubo de la válvula a la tubería de impulsión de la bomba, y de acuerdo a la posición de este ultimo tramo de tubo, para la bomba es el primer tramo de tubería de descarga; fijar la bomba con sus respectivos aditamentos que requiere, inclusive amortiguadores.

• Ensamblar la correa a las poleas del eje y alternador respectivamente para

luego fijar el alternador. • Realizar las respectivas conexiones eléctricas de bomba, generador, variador

de frecuencia y circuito integrado de diodos leds.

75

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• El eje es un elemento indispensable en cuanto a transmisión de potencia se trata y para ello es necesario tener en cuenta que la longitud debe ser lo mas corta posible, el diámetro debe ser lo justo para evitar fallas, los apoyos deben estar cerca para evitar que se generen grandes momentos en el eje y una configuración adecuada para la visualización, interacción y entendimiento del módulo. El criterio de análisis por fatiga según método ASME basado en el esfuerzo a fluencia y con un factor de seguridad de 2 se utilizó para el dimensionamiento del eje.

• El eje es un elemento esencial en las máquinas y para este caso hay que

tener en cuenta un factor adicional, que es el medio al que esta expuesto. Como debe estar en contacto directo con el agua, se selecciona un material que soporte además de las cargas estáticas y dinámicas un tiempo mas prolongado de ataque por corrosión.

• Otro componente muy importante son los rodamientos seleccionados,

quienes son los que además de soportar al eje con sus cargas, también permiten el movimiento de rotación del eje sin mayores pérdidas; este elemento viene en conjunto con el soporte y está debidamente protegido por unos anillos compactos a ambos lados, evitando alguna salpicadura de agua o mugre, que perjudique la vida del rodamiento.

• Un punto de partida para la seleccionar la bomba centrífuga es el caudal

óptimo requerido para operar la turbina, como también es necesario calcular la curva del sistema de pérdidas por la conducción del agua por la tubería en función de la demanda de caudal, y así, intersecar esta curva con la de la bomba a seleccionar determinándose el punto de operación, si este punto esta cercano al punto de mejor eficiencia de la bomba se dice que es la mas indicada.

• El diseño del módulo cuenta con los elementos necesarios para la

generación de energía eléctrica a partir de la energía hidráulica, sin embargo, se pueden adicionar algunos componentes como instrumentos de medición y una línea de derivación de la tubería de descarga que simule la caída del agua lluvia a un tanque que se puede ubicar en la parte posterior de la represa.

• El análisis detallado de cada uno de los elementos que hacen parte del

modulo, nos lleva a elaborar una lista de materiales necesarios con especificaciones y costos favorables para su respectiva construcción.

76

• Al energizar el circuito de instalación eléctrica, se debe tener la precaución de mantener la válvula de compuerta cerrada, para evitar el salto de amperaje en el motor de la bomba. Con la válvula cerrada la bomba arranca limitada.

• Se recomienda programar el variador de frecuencia de manera que al

encenderlo inicie en una frecuencia muy baja, de esta forma prolonga la vida del motor y de la tubería, evita el aumento de amperaje motor-bomba y como consecuencia de ello el sobrecalentamiento.

• Se recomienda utilizar amortiguadores en dispositivos como bomba, y soportes de los rodamientos para absorber vibraciones mecánicas evitando desajustes y bajo rendimiento en la turbina.

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[14] ORTIZ, Florez Ramiro. Pequeñas centrales hidroeléctricas. Mc GRAW-HILL. [15] PVC. Catálogo de tuberías y accesorios.

78

[16] SEMANA DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA. www.zientzia.net/teknoskopioa/2006/itsas_energia_g.asp, [17] SKF. Catálogo de rodamientos [18] STREETER, Víctor. Mecánica de Fluidos. Tercera edición. MC GRAW HILL.

[19] UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA. Conferencias de máquinas hidráulicas.

[20] VÉLEZ URIBE, Germán, Diseño y construcción de un módulo didáctico de una microcentral hidroeléctrica. Proyecto de grado, Universidad Tecnológica de Pereira. 1985. [21] POTTER, Merle C.; WIGGERT, David C. Mecánica de Fluidos. Segunda edición. Bogotá: Prentice Hall, 1998. pp. 626. [22] FRANZINI, Joseph B; FINNEMORE, E. J. Mecánica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniería. Novena edición. Madrid: McGraw-Hill, 1999; pp. 460 – 461

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ANEXO A

Esfuerzo a fatiga (S`n) del acero inoxidable tipo 3 04

Esfuerzo de fluencia del acero inoxidable

80

ANEXO B

81

ANEXO C

82

ANEXO D