Estudio del principio de la hidrodinámica...Joe Vasquez Alvarado.pdf

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE GRADUACIÓN
TESIS DE GRADO
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE
INGENIERO INDUSTRIAL
ÁREA
SISTEMAS ORGANIZACIONALES (PROYECTOS)
TEMA
ESTUDIO DEL PRINCIPIO DE LA HIDRODINÁMICA
EN EL AGUA COMO MEDIO PARA AHORRAR
ENERGÍA ELÉCTRICA
AUTOR
VÁSQUEZ ALVARADO JOE JAIR
DIRECTOR DE TESIS
Msc. LIZARZABURU MORA ANNABELLE SALLY
2014
GUAYAQUIL – ECUADOR
ii
“La responsabilidad de los hechos, ideas y doctrinas expuestas en esta
Tesis corresponden exclusivamente al autor”
Vásquez Alvarado Joe Jair
iii
DEDICATORIA
Dedico este proyecto de Tesis a aquella parte de mi vida que me impulsa
y que me mantiene, a aquellos gigantes que nunca se ausentan, a
quienes con su consejo y amor me dirigieron por el camino del bien e
incentivaron para lograr siempre los objetivos, a aquellos motores que aún
sin combustible jamás se han dado por vencidos, a mis padres, la Sra.
Elita Alvarado y al Sr. Franklin Vásquez.
iv
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por brindarme la oportunidad de constituir este proyecto
al igual que el proyecto de mi vida día a día.
Agradezco a mis padres por el apoyo incondicional que me prestaron en
busca de las metas propuestas y por el saber guiarme por el sendero del
trabajo y de la honestidad.
Agradezco a todos mis profesores y compañeros quienes de alguna u otra
forma hicieron posible el enriquecimiento de este proyecto, y de manera
muy en especial a mi Tutora, la Ing. Annabelle Lizarzaburu quien con su
paciencia, apoyo, experiencia, y una gran sincera amistad hizo que jamás
me rindiera y que concluya con los objetivos.
Muchas gracias a todos por ser parte de mi vida, y por permitirme ser
parte de la suya.
v
ÍNDICE GENERAL
N°
Descripción.
Pág
Prólogo.
1
CAPÍTULO I
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMA
N°
Descripción.
Pág
1.1
Antecedentes.
2
1.2
Planteamiento del problema.
3
1.2.1
Ubicación del problema en contexto.
4
1.2.2
Situación conflicto.
5
1.2.3
Causas y consecuencias del problema.
5
1.2.4
Formulación del problema.
6
1.2.5
Evaluación del problema.
7
1.3
Objetivos.
8
1.3.1
Objetivo general.
8
1.3.2
Objetivos específicos.
8
1.4
Justificación e importancia de la investigación.
8
1.5
Marco teórico.
9
1.5.1
Fundamentación teórica.
9
1.5.1.1
Hidrodinámica y aspectos físicos
9
1.5.1.2
Energía eléctrica.
24
1.5.1.3
Grifos y tuberías
29
1.5.2
Fundamentación legal.
38
1.5.3
Fundamentación ambiental.
41
CAPÍTULO II
DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL
N°
Descripción
2.1
Metodología y diseño de la investigación.
Pág
43
vi
N°
Descripción
Pág
2.2
Instrumentos de la investigación.
44
2.3
Operacionalización de las variables
44
2.4
Procedimientos de investigación
45
2.5
Investigación de mercado.
45
2.5.1
Demanda.
45
2.5.2
Demanda futura.
48
2.5.3
Precio.
52
2.5.4
Oferta.
52
2.5.5
Demanda insatisfecha.
54
2.6
Estudio técnico.
55
2.6.1
Ingeniería y proceso del producto.
55
CAPÍTULO III
PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS, SOLUCIÓN Y EVALUACIÓN
N°
Descripción.
Pág
3.1
Estudio de resultados.
61
3.2
Análisis costo beneficio
64
GLOSARIO DE TÉRMINOS.
69
ANEXOS.
71
BIBLIOGRAFÍA.
85
vii
ÍNDICE DE CUADROS
N°
Descripción
Pág
1
Unidades SI.
12
2
Valores de diseño de la rugosidad del tubo
21
3
Porcentaje de fuentes de energía en Ecuador.
25
4
Principales termoeléctricas.
27
5
Clases de grifería según estrato.
34
6
Sectores económicos.
46
7
Densidad comercial.
47
8
Tiempo de reposición.
50
9
Manejo de desperdicios.
50
10
Sistemas de ahorro.
51
11
Disposición a invertir en sistemas de ahorro.
52
12
Consumo Nacional Aparente.
54
13
Costo promedio unitario del sistema.
65
14
Costo, sistema actual y propuesto.
67
15
Costo KWh, sistema actual y propuesto.
67
viii
ÍNDICE DE GRÁFICOS
N°
Descripción
Pág
1
Modelo diseñado en Asia.
11
2
Fórmula de densidad.
13
3
Compresibilidad.
14
4
Diagrama de velocidades.
15
5
Presión de vapor y temperatura de ebullición para el paso
de agua.
16
6
Flujo laminar.
17
7
Flujo turbulento.
18
8:
Línea de transmisión.
26
9:
Subestación Pascuales.
26
10
Sistema Nacional Interconectado.
28
11
Llave de pico.
30
12
Llave para manguera.
30
13
Lave individual.
31
14
Llave de paso.
31
15
Llaves mezcladoras.
32
16
Llave de compuerta.
32
17
Total de agua en el planeta.
42
18
Metodología de la investigación.
43
19
Simulación de eventos por medios aleatorios.
59
20
Ubicación del dínamo en el sistema (tubería).
62
21
Diseño del álabe o hélice dentro de la tubería.
63
22
Proceso de ensamblaje de sistema.
64
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
N°
Descripción
Pág
1
Propiedades de los líquidos
72
2
Magnitudes comunes de las propiedades de los fluidos.
73
3
Tabla de número de Reynolds
74
4
Pérdida de energía en el sistema.
75
5
Establecimientos económicos censados por sector,
Según cantones.
76
6
Centrales eléctricas y térmicas.
77
7
Formulario para la obtención de datos primarios
(Encuesta)
78
8
Proforma de grifos de compuerta.
79
9
Proforma de capacitor
80
10
Proforma de UPS.
81
11
Diagrama de Moody.
82
12
informe de auditoría a Interagua en las estaciones de
bombeo.
13
83
Informe de auditoría a Interagua por las presiones de
servicio en la ciudad de Guayaquil.
84
x
AUTOR:
JOE VÁSQUEZ ALVARADO
TEMA:
ESTUDIO DEL PRINCIPIO DE LA HIDRODINÁMICA EN
EL AGUA COMO MEDIO PARA AHORRAR ENERGÍA
ELÉCTRICA
DIRECTOR:
ANABELLE SALLY LIZARZABURU MORA.
RESUMEN
Este trabajo de proyecto de Tesis aborda las leyes del principio de la
hidrodinámica con el objetivo de utilizar los recursos que brinda la
naturaleza para beneficio de toda la sociedad. El estudio se proyecta
como una simulación de la presión y caudal que se enmarca en las
tuberías o ductos que transportan agua para que en ella se instale un
mecanismo que aproveche este principio. La metodología utilizada en el
proyecto es bibliográfica, cualitativa, y experimental ya que se considera
las variables y factores que intervienen con el objetivo de buscar el
beneficio de la sociedad. Los resultados obtenidos en este estudio
mostrados en el capítulo 3 dan una visión más amplia del alcance de los
objetivos planteados, de cómo utilizar los beneficios que se presentan en
la naturaleza y de expandir estos resultados a fin de conseguir el ahorro
de energía como una herramienta para el desarrollo sustentable del
planeta y así obtener beneficio económico para quienes lo implementen.
Palabras claves: Hidrodinámica, Energía, Electricidad, Leyes, Principios,
Renovable, Agua, Mecánica, Fluidos.
Joe Vásquez Alvarado
C.C. 093012263-5
Msc. Annabelle Lizarzaburu Mora
Director de Tesis.
xi
AUTHOR:
TEAM:
JOE VÁSQUEZ ALVARADO
ESTUDIO DEL PRINCIPIO DE LA HIDRODINÁMICA EN
EL AGUA COMO MEDIO PARA AHORRAR ENERGÍA
ELÉCTRICA
DIRECTOR:
ANABELLE SALLY LIZARZABURU MORA
ABSTRACT
This work of project of Thesis approaches the laws of the principle of
the hydrodynamic one with the objective of using the resources that it
offers the nature for benefit of the whole society. The study is projected
like a simulation of the pressure and flow that it is framed in the pipes or
ducts that transport water so that in her he/she settles a mechanism that
takes advantage of these principles. The methodology used in the project
is bibliographical, qualitative, quantitative and experimental since it is
considered the variables and factors that intervene with the objective of
looking for the benefit of the society. The results obtained in this study
gave a wider vision of the reach of the outlined objectives, of as using the
benefits that are presented in the nature and of expanding these results in
order to get the energy saving like a tool for the sustainable development
of the planet and of the economic benefit for who you/they implement it.
Keywords: Hydrodynamic, Electricity, Laws, Principles, Renewable
Energy, Water, Mechanics, Fluids.
Joe Vásquez Alvarado
C.C. 093012263-5
Msc. Annabelle Lizarzaburu Mora
Thesis Director
PRÓLOGO
En el presente trabajo de Titulación de grado se abordan criterios y
métodos o leyes de trascendencia a lo largo de la historia que han sido
justamente para el beneficio de la sociedad.
En el primer capítulo trata sobre las leyes que rigen el movimiento de
los fluidos dentro de tuberías para que esta sea utilizada con el objeto de
crear una fuerza que impulse un elemento mecánico que a su vez
mediante la transformación de la energía transformarla a electricidad.
Los métodos usados para simular los posibles eventos del fenómeno
que se estudia son de gran interés ya que de manera global e indirecta
formula o antepone una hipótesis que pudiera tener un gran impacto en la
realización y aplicación de los principios aquí descritos.
Las leyes y principios mencionados que han sido promulgadas a
través de la historia se emparejan con la oportunidad de que puedan ser
utilizadas con los objetos o materiales que se encuentran hoy en día, así
mismo también se incluye de manera en especial los datos que arroja el
mercado con respecto a la utilización de este nuevo sistema y la gran
oportunidad en el caso de aplicación.
En el capítulo dos se muestra la forma como se encuentra
desarrollado este trabajo, la metodología utilizada siendo de carácter
experimental y en el tercer y último capítulo sobre los resultados
obtenidos mediante la simulación de los eventos y la cantidad de energía
que podría generar este sistema si fuera aplicado.
CAPÍTULO I
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMA
1.1
Antecedentes
Durante la historia, se ha ido buscando de manera incesante y sin
demora la innovación de artefactos, objetos y bienes que permitan ofrecer
una mejor, eficaz y eficiente distribución de todos los recursos del cual se
pueda lograr generar sustentabilidad, performance, riqueza y ayuda en
todos los sentidos a la sociedad.
El recurso natural, quizás el de mayor trascendencia o importancia
para la vida es el agua, este recurso que actualmente debido a la
contaminación de manera desmesurada en el planeta puede verse y que
se puede percibir cada vez de manera más escaza, este recurso que ha
sido justamente uno de los principales objetivos a conquistar desde
principios de la vida humana a través de la historia.
El agua, recurso innatamente imprescindible para todo organismo la
vida en el planeta, y apenas un bajo porcentaje del volumen total que se
encuentra disponible en el planeta es apta para el consumo humano.
La República del Ecuador ubicada en el hemisferio sur del
continente americano es una nación abundante y rica en fuentes
acuíferas, su principal y mayor afluente es el río Amazonas, este país
posee la mayor concentración de ríos de agua dulce por milla cuadrada
en el mundo, “de acuerdo con la Secretaría Nacional del Agua
(SENAGUA), existe una disponibilidad de agua de 22.500 m3 por
habitante por año”1. (Claudia López Pardo y Diana Balarezo Vinueza, 2012)
Análisis de la situación problema 3
El sector agrícola aborda aproximadamente entre el 65 y 70% de la
demanda total de agua en todo el planeta, y que por ejemplo para
producir una tonelada de trigo se necesita aproximadamente mil
toneladas del recurso hídrico para su obtención. Por esta razón, es que
tanto el crecimiento o aumento en la producción de alimento, las grandes
migraciones humana del campo a la ciudad de manera acelerada, y el
crecimiento imparable de las industrias en el mundo han llevado a una
progresiva pero real escasez mundial de agua.
La Organización de las Naciones Unidas ONU ha indicado y
mostrado su preocupación mediantes sus informes, de que cada vez más
se está elevando los índices de la situación crítica de escasez de agua en
varias partes y zonas del mundo, y que quizás “cerca de 7000 millones de
personas en 60 países sufrirán escasez de agua, en el peor de los casos,
y en el mejor se tratará de 2000 millones de personas en 48 países” 2
(Unesco, 2003).
Debido al cambio climático de manera abrupta y a la escasez de los
recursos, se ha apuntalado el crecimiento de nuevas o mejores
alternativas y recomendaciones que puedan ayudar a detener la evolución
de sobrepasar los límites de contaminación que aumente la escasez por
encima de los límites, los cuales ya serían irreparables para la vida y
sostenibilidad en el planeta.
Aspectos importantes, imperceptibles e innumerables como por
ejemplo el simple hecho de ahorrar agua en distintas áreas que pueden
darse desde el cuidado doméstico hasta la propia alimentación y consumo
mismo; el reciclaje o medio de recuperación de recursos que a pesar de
no constituir la mejor alternativa, es una vía valedera para la recuperación
de materias primas que pueden ser utilizadas en procesos productivos en
la manufacturación de consumibles o bienes para la sociedad y así poder
contribuir a la conservación y buen uso de la energía y de recursos en el
planeta que limite la contaminación o sobrexplotación en el planeta.
Análisis de la situación problema 4
La generación de energía ha sido sin duda alguna fuente motriz de
progreso pero a un elevado costo para la sustentabilidad del planeta hoy
en día. Las grandes centrales hidroeléctricas ya no son quizás las mejores
opciones para generar energía debido a los altos costos que implica su
mantenimiento, funcionamiento, operación y también la gran extensión de
terreno que se requiere para la operatividad de la central.
1.2
Planteamiento del problema
El problema es conseguir valores duros por medio de la simulación
que puedan ayudar a determinar la cantidad de energía que pueda
generar este sistema y el impacto social del ahorro de agua, las cuales
son fuentes vitales de vida y desarrollo para todo ser vivo y para cualquier
nación del mundo.
La problemática del proyecto se encuentra ubicada en el enfoque
tecnológico, socio-económico y experimental en el país, porque se tendrá
la necesidad de factores o variables para así encontrar una solución
viable para poder desarrollar un sistema que nos ayude a generar
energía.
1.2.1 Ubicación del problema en contexto
Considerando que el problema objeto de estudio se encuentra
enmarcado en una temática tanto técnica experimental como social debe
ser abordado desde el punto de vista científico al tratar de utilizar el
principio de la hidrodinámica para generar energía y así disminuir el gasto
de electricidad y agua.
La hidrodinámica aborda con las teorías y leyes físicas para lograr el
desarrollo del sistema que se busca implementar en las tuberías para
agua y que genere energía suficiente para alimentar bombillos o
luminarias.
Análisis de la situación problema 5
El sistema busca que la generación de la energía sea limpia y sin
mucha complejidad para la instalación siendo de aquella manera
amigable con el ambiente y disminuyendo el despilfarro del agua.
1.2.2 Situación conflicto
La situación conflicto que se crea en torno a la problemática, será la
de demostrar mediante la simulación el beneficio que enmarca el
desarrollo para generar una pequeña cantidad de energía que pueda
alimentar las luminarias o focos de empresas o incluso de lugares donde
la demanda de agua sea considerada alta para así minimizar el
desperdicio de agua, justamente generando energía de una manera casi
invisible, ayudando de esta manera lograr una mejor y saludable
economía para todos quienes conforman el bien social del entorno en
donde se sitúa el sistema completo en el país y el mundo entero.
1.2.3 Causas y consecuencias del problema
La contaminación, el mal uso de los recursos, el desperdicio y/o
despilfarro desorbitante y de manera extrema de estos, así también como
la poca cultura por ahorrar energía son las causas de mayor ponderación
que dan origen al problema de la escasez de agua y a la búsqueda de
energías renovables que minimicen el impacto social y ambiental en el
mundo.
En una ciudad promedio se gasta el 71 % del agua potable en las
casas, el 12 % en las industrias, el 15 % en el comercio y el 2 % en
servicios, mientras el consumo promedio de una persona es de 15 It/día.
El libre acceso al agua es fuente importante para el desarrollo y
crecimiento de la humanidad; las pasadas y futuras luchas por este
recurso están estrechamente vinculadas con la implementación de
Análisis de la situación problema 6
políticas económicas, sociales, comerciales, sanitarias
y también
medioambientales por parte de los gobiernos.
Los gobiernos que inducen a reducir el acceso universal a este
recurso, colocarán probablemente su valor como mercancía y la inserción
del mismo en una ola de negociaciones y privatizaciones que coartan
quizás el derecho universal de la vida.
La disponibilidad del recurso hídrico hacia la ciudadanía subraya y
plantea una existencia de disparidades o desequilibrio a niveles
continentales, se estima que la gran causa principal y motriz de los
posibles futuros conflictos bélicos/guerras a nivel de todo el mundo será
por poseer el control y acceso a las fuentes de agua dulce para el
sustento de la ciudadanía o desarrollo de industrias entre las naciones
que pretendan apoderarse del recurso hídrico y de las naciones quienes
la posean.
1.2.4 Formulación del problema
El problema se concentra en desarrollar un sistema que aproveche
el flujo o caudal de agua dentro de las tuberías o ductos, aplicando las
leyes y teorías de la hidrodinámica para así poder dar movimiento a un
dínamo que alimente energéticamente un banco de capacitores o UPS
que la almacene para cuando halla la necesidad de encender los
bombillos o focos.
Los elementos o variables del problema será la de obtener los
costos por la implementación del sistema que genere beneficios
económicos al ahorrar energía eléctrica, los distintos factores físicos que
intervienen en el sistema como son el caudal, la presión, la velocidad del
fluido, el diámetro de la tubería/ducto y que de manera indirecta pueda
ahorrar agua, e indirecta energía eléctrica ya que no se utiliza del Sistema
Nacional Interconectado.
Análisis de la situación problema 7
Una de las necesidades es ser más eficiente en el consumo de
agua, en las dimensiones requeridas en diseño y en la no utilización de
energía, por lo que el problema se formula de la siguiente manera:
1.- ¿Podrá ser implementada la hidrodinámica en busca de generación de
energía por medio de un dínamo a través de la presión, caudal y/o
velocidad dentro de una tubería?
2.- ¿A qué sector debe dirigirse el sistema si el proyecto científico es
validado?
3.- ¿Será viable social y económicamente el proyecto si se busca ser
masificado?
1.2.5 Evaluación del problema
El problema planteado para este proyecto es:
1.- Relevante: Porque busca darle una resolución a la conflictiva social
actual con respecto a la racionalización del agua y energía en el mundo
para evitar su desperdicio, abuso o mal uso.
2.- Claro: Porque el problema planteado busca una solución lógica y
técnica de acuerdo al contexto ambiental (reducción de recursos
minimizando el impacto ambiental en el planeta).
3.- Vigente: Porque la información recolectada y las necesidades actuales
de la ciudadanía en general están acorde y apegadas a todas las
naciones del mundo en el que vivimos.
4.- Original: Busca simular el principio de la hidrodinámica para mover
unos pequeños álabes conectados a un dínamo mecánico para
desarrollar un sistema que nos ayude ahorrar energía.
Análisis de la situación problema 8
1.3
Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Simular un sistema que involucre el uso del principio de la
hidrodinámica en el agua como vía alternativa para generar energía que
pueda alimentar el alumbrado, focos o luminarias.
1.3.2 Objetivos específicos
1.- Recolectar información científica bibliográfica sobre las leyes que
interactúan en el diseño del sistema que genere energía por medio de un
dínamo.
2.- Modelar los posibles eventos para así poder determinar que el sistema
pueda ser puesto en práctica en futuros proyectos de aplicación.
3.- Establecer el beneficio social y económico de utilizar este sistema de
innovación.
1.4
Justificación e importancia de la investigación
Actualmente aún se utilizan grifos con sistemas mecánicos y
semiautomáticos, provocando un desperdicio de agua exorbitante, así
mismo se utilizan grifos o llaves con sensores de movimiento que buscan
reducir considerablemente el desperdicio de agua, fuente vital de vida.
No solo en las grandes ciudades existen tuberías donde se pueda
utilizar la hidrodinámica, usualmente en los campos se utiliza la energía
potencial al aplicar la hidroeléctrica y también las motobombas ya sean de
combustible como eléctricas, si logramos aplicar la hidrodinámica
podemos demostrar que no solo la hidráulica es capaz de generar
energía.
Análisis de la situación problema 9
La implementación de un mecanismo o sistema que se impulse con
agua y que genere energía, entre varias cosas dará una visión de que se
pueda utilizar en algún futuro cercano en los propios hogares como
método de generación sustituto a los actuales,
Con respecto al ámbito nacional ayudará a disminuir la demanda de
energía al Sistema Nacional Interconectado y así poder depender menos
de proveedores de energía como Perú y Colombia.
Así mismo incentivar al sector hacia la migración de la nueva matriz
energética propuesta por el gobierno ecuatoriano.
1.5
Marco teórico.
1.5.1
Fundamentación teórica.
1.5.1.1 Hidrodinámica y aspectos físicos.
Hidrodinámica.- Es la parte de la ciencia física, la cual “es la
conjugación de hidro= agua y dinámica= movimiento”15 (Nottoli, 2007) es
decir que estudia el movimiento de los fluidos ya es justo este materia de
estudio que posee numerosas aplicaciones en el entorno actual. La
hidrodinámica
estudia
de
manera
especializada
a
los
fluidos
incomprensibles y su ley básica de la cual parte su teoría es la de la
“conservación de la energía”.
Como la dinámica “es la parte de la mecánica que estudia y analiza
los cuerpos en movimiento, la dinámica se divide en dos partes:
cinemática y cinética”16, (Beer y Johnston, 1973).
El desarrollo de la dinámica se produce luego de la estática, ya que
las magnitudes o factores que intervienen en ella, dependen de la
precisión de estimar los valores de tiempo, los trabajos de Galileo Galilei y
Análisis de la situación problema 10
Hyugens sobre el reloj ayudaron a los teoremas de tiempo que luego
concluyó Isaac Newtons con el descubrimiento de la Ley de Gravitación
Universal y que más tarde el científico suizo Leonhard Euler comienza con
la expresión momento de inercia.
La introducción del concepto sobre la fuerza de la inercia del francés
D´Alembert ayuda para que se formalice las ecuaciones generalizadas del
movimiento el científico italiano Joseph-Louis de Lagrange.
La cinemática se encarga de relacionar las variables velocidad,
desplazamiento, aceleración y tiempo; mientras que la cinética estudia la
relación entre la masa del cuerpo, las fuerzas que interactúan entre sí y el
movimiento de estas fuerzas como tal.
Hidráulica.- Es una parte o especialización de la mecánica de
fluidos que aplica la energía potencial y que es aplicada para la
fabricación de componentes que son generados por medio del agua,
aunque también trabaja con aceite y otros fluidos.
Las leyes físicas que rigen los movimientos en estado de reposo o
movimiento comprenden y pertenecen de manera general a la mecánica
de fluidos. Los fluidos se dividen en dos grupos, los cuales son los
líquidos y gases.
La mecánica de fluidos es tan importante y fundamental ya que se
utiliza en diversas áreas para la construcción de equipos de riego,
transporte e incluso aeronáutica.
“Los fluidos afectan de muchas maneras la vida cotidiana de los
seres humanos”6 (Mott, 2006). Estos se hayan presente en procesos
industriales, científicos, sociales e incluso en procesos que no son
perceptibles de ver, como por ejemplo las reserva de gas licuado en el
fondo oceánico.
Análisis de la situación problema 11
“Cuando consideramos las comodidades y necesidades de la vida
diaria, es en verdad sorprendente observar el papel que desempeñan los
conductos. Por ejemplo, el agua que se utilizan en los hogares se
transporta por medio de tuberías para que dispongamos de ella cuando y
donde la necesitemos” 18 (Arenas, 2006)
“Hoy en día la Universidad Politécnica de Hong Kong (China) ha
presentado un prototipo para aprovechar la energía existente en los más
7800 kilómetros de tubería de la ciudad”17 (ALLPE Medio Ambiente ,
2012).
FIGURA N°1
MODELO DISEÑADO EN ASIA
Fuente: ALLPE Medio Ambiente Blog Medioambiente.org
Elaborado por: ALLPE.
Análisis de la situación problema 12
Las dimensiones más usadas en el Sistema Internacional SI, se
muestra en el cuadro adjunto, las cuales son moldes a regirnos para
poder cuantificar los distintos factores que ocurren en la naturaleza o que
simplemente la humanidad lo ha creado con el objetivo de ser medible, y
solo lo que se puede medir se puede controlar.
CUADRO N°1
UNIDADES SI
Fuente: Sistema de automatización para el cálculo de pérdidas
Longitudinales en tuberías de agua potable
Elaborado por el autor.
Fluidos.- Los fluidos contienen dentro de su estudio a los líquidos y
gases, mas sin embargo se puede indicar también que significa que es un
Análisis de la situación problema 13
elemento que adopta cualquier forma sin que haya la necesidad de que
fuerza alguna restrictiva tienda hacer recuperar su forma original, lo que
caracteriza a un fluido es su comportamiento, mas no su composición.
Los fluidos de forma general pueden clasificarse en dos categorías:
“newtoniano” y “no newtoniano”.
La primera clase de fluidos hace relación a aquellos en que se
deforman de manera directa a la proporción del esfuerzo realizado como
lo es por ejemplo el agua al ejercerse fuerza sobre ella,
Mientras tanto los fluidos “no newtonianos” hace referencia a todos
aquellos en que la deformación no está relacionada directamente a la
fuerza realizada, un ejemplo claro de este tipo de fluido son las pomadas
en cartuchos cilíndricos, ya que se deforma (expande) cuando se ejerce
presión sobre el cartucho pero no se derrama ni se contrae cuando no se
ejerce la presión.
Los fluidos poseen propiedades físicas las cuales permiten
diferenciar su comportamiento, solo para los fluidos (líquidos y gases)
están la viscosidad, presión de vapor y tensión superficial, las cuales son
adicionales cualquier otra materia.
Densidad.- “Se denomina densidad a la cantidad de materia por
unidad de volumen de una sustancia, se designa ρ y se define:”7
(Christian Flores y Alex Miranda, 2005)
FIGURA N°2
FÓRMULA DE DENSIDAD
Fuente: Sistema de automatización para el cálculo de pérdidas
Longitudinales en tuberías de agua potable
Análisis de la situación problema 14
Compresibilidad.- La compresibilidad es una propiedad de los
fluidos que relaciona los cambios que existe entre el volumen y la presión
a la que se somete al fluido en una determinada área.
Los líquidos presentan una muy poca compresibilidad con relación a
los gases, ejemplo de aquello son los gases comprimidos que se
encuentran encapsulados en los bloques de cilindros de los motores a
combustión, y así mismo se denota que esta propiedad guarda relación
con su masa específica que depende tanto de la presión como de la
temperatura.
FIGURA N°3
COMPRESIBILIDAD
Fuente: Sistema de automatización para el cálculo de pérdidas
Longitudinales en tuberías de agua potable
Viscosidad.- Es aquella propiedad que poseen todos los líquidos y
que consiste en poner o aplicar resistencia a la presión o a la deformación
de este en un recinto, dicho de otra forma es la propiedad que resulta del
roce del fluido con los vectores o esfuerzos cortantes sobre las paredes
del recinto.
Análisis de la situación problema 15
“Para una misma deformación, distintos fluidos oponen resistencias
diferentes, es decir, la viscosidad es una propiedad de los mismos. La
figura representa un fluido en movimiento”
19
(Christian Flores y Alex
Miranda, 2005).
FIGURA N°4
DIAGRAMA DE VELOCIDADES
Fuente: Sistema de automatización para el cálculo de pérdidas
Longitudinales en tuberías de agua potable
Peso específico.- Esta magnitud nos indica la cantidad de peso de
una materia contenida en una de volumen.
Tensión de vapor.- Explica la tendencia en que un fluido se
evapora.
Análisis de la situación problema 16
FIGURA N°5
PRESIÓN DE VAPOR Y TEMPERATURA DE EBULLICIÓN
PARA EL PASO DE AGUA
Fuente: “Sistema de Automatización para el Cálculo de Pérdidas
Longitudinales en Tuberías de Agua Potable”
Cavitación.- Fenómeno que ocurre cuando un líquido pasa
bruscamente al estado gaseoso y viceversa produciendo golpes, erosión
del material y vibraciones.
Líneas de corriente.- Son imaginarias en todos los puntos al vector
en cualquier sitio o lugar, estás jamás se cruzan ya que indicarían que
existan velocidades diferentes en el mismo punto, lo cual es imposible.
Tubo de corriente.- Es la delimitación física o imaginaria de las
líneas de corriente, siendo la vena líquida el volumen delimitado por este.
Análisis de la situación problema 17
El caudal es el volumen de fluido que pasa por una parte, orificio o
sección en una unidad de tiempo.
Caudal.- Cantidad de volumen de un fluido con que atraviesa una
sección en un determinado vector de tiempo. Su fórmula es:
Q= A*v
Donde:
A= área del conductor.
V= velocidad con que fluye.
El flujo laminar y turbulento son dos tipos de movimientos
observados por los científicos e investigadores cuando siguen una
dirección en un ducto o tubería, el flujo laminar es cuando el gradiente o
vector de velocidad que se forma es energéticamente bajo y la inercia es
mucho mayor que la fricción dada, teniendo como resultado que las
partículas desplazadas en el recinto (ducto o tubería) no roten o giren
bruscamente o de forma no controlada y que su dirección sea de forma
continua, definida y bajo una misma trayectoria.
FIGURA N°6
FLUJO LAMINAR
Fuente: Diseño de un sistema de aprovechamiento de agua en
el proceso de calentamiento para instalaciones ACS
Análisis de la situación problema 18
El flujo turbulento a su vez es lo contrario al flujo laminar, esto quiere
decir que no posee una continuidad ni trayectoria definida, sus partículas
chocan unas con otras provocando energía de rotación brusca, En
resumen cuando la energía de las fuerzas de inercia es mayor se forma
un flujo turbulento o chocante, mientras que si esta es baja y la fuerza de
viscosidad es alta se forma el flujo laminar.
FIGURA N°7
FLUJO TURBULENTO
Fuente: Diseño de un sistema de aprovechamiento de agua en
el proceso de calentamiento para instalaciones ACS
Las pérdidas o descargas de presión que se manifiestan conforme el
fluido que se desplaza a lo largo de algún ducto o tubería. El inglés
Reynolds desarrolló una relación entre las variables de mayor importancia
en los fluidos, velocidad, viscosidad, densidad y tamaño por donde se
proyecta, a este número sin dimensión alguna, se le asignó su nombre, el
cual se utiliza en tuberías o ductos cerrados.
Un ejemplo de esta relación propuesta por este científico inglés es
cuando en una tubería o manguera la presión disminuye debido a las
pérdidas de energía ocasionadas por la fricción que se forma al
desplazarse el líquido o los fluidos por las paredes estables del recinto y a
la turbulencia con la que se mueve ya que de acuerdo al tipo de material
con que está fabricada reacciona de manera particular.
Análisis de la situación problema 19
Osborne Reynolds fue el primero en demostrar que es posible
relacionar por medio de un número si que un flujo es turbulento o laminar,
la ecuación básica es la siguiente:
Donde:
= Velocidad promedio
= Diámetro
= Densidad
= Viscosidad dinámica
Con esta expresión se indica que el número de Reynolds el cual es
adimensional es “la fuerza de inercia sobre un elemento de fluido a la
fuerza viscosa”8 (Mott, 2006), para efectos de cálculos se dice que si el
número es mayor que 2000 será turbulento, caso contrario es laminar.
Pérdidas por fricción.- Las pérdidas por fricción se refieren a la
energía que se pierde en el sistema debido a la fricción entre el fluido y
las paredes del tubo. Para calcular las pérdidas podemos utilizar la
ecuación general de la energía como principio básico, esta ecuación es la
siguiente:
En las tuberías y/o tubos la fricción se expresa en relación
proporcional a la carga de velocidad del flujo y a la relación de la longitud
del diámetro de la corriente, siendo
como la pérdida de energía en el
sistema, la expresión matemática es la siguiente, conocida como la
ecuación de Darcy
Análisis de la situación problema 20
Donde:
= Pérdida de energía.
= Factor de fricción
=Longitud de corriente del flujo
=Diámetro
=Velocidad promedio
El factor de fricción difiere del tipo de flujo, sea este lamiar o
turbulento. Para ello se representan dos ecuaciones o enunciados
matemáticos que permiten obtener la solución de manera directa para el
factor de fricción. Una cubre el flujo laminar y la otra se emplea en el
turbulento”14 (Mott, 2006).
Para el flujo laminar, se utiliza:
Para el flujo turbulento fue desarrollada por Jain, y Swamee, siendo
⁄ la rugosidad relativa.
[
⁄
]
Para la rugosidad relativa es la condición en la que se encuentran
las paredes de los tubos o tuberías, y su valor es promedio de acuerdo al
tipo de material del cual está fabricada.
Análisis de la situación problema 21
CUADRO N°2
VALORES DE DISEÑO DE LA RUGOSIDAD DE TUBOS
MATERIAL
Vidrio
RUGOSIDAD (m)
RUGOSIDAD
Liso
(Inch)
Liso
Plástico
Tubo extruido, cobre,
latón y acero
Acero comercial o
soldado
Hierro galvanizado
Hierro dúctil, recubierto
Hierro dúctil, no
recubierto
Concreto
Acero remachado
Fuente: Mecánica de fluidos.
Sexta Eedición. Robert Mott.
Elaborado por el autor.
“El ingeniero norteamericano Lewis Ferry Moody capturó mediante
un diagrama las relaciones entre las diversas variables utilizadas en el
cálculo de flujo de fluido a través de una tubería” 15 (Ferry), el mismo que
lleva su nombre, el diagrama se muestra en el anexo 11.
Ecuación de la continuidad.- Es aquella expresión matemática que
demuestra el principio de la continuidad, y que relaciona la densidad del
fluido, el área y la velocidad del mismo, se expresa de la siguiente
manera:
Análisis de la situación problema 22
Ecuación de Bernoulli.- Bernoulli consideró como inicio y principio
la ley de la conservación de la energía que promulga “que la energía no
se crea ni se destruye” por lo que da inicio a su ecuación o arreglo que
toma en consideración los tres tipos de energías las cuales son altura,
velocidad y fuerza.
Si se considera que en una tubería hay una elevación z, tiene una
velocidad v y una presión p, por lo que planteó que una tubería posee
estas ya que:
Energía Potencial.- Al poseer una elevación, la energía potencial se
relaciona con algún otro punto en el sistema, siendo z el peso del
elemento.
Energía cinética.- Debido a la velocidad del objeto o fluido en
estudio, se expresa como sigue a continuación:
Energía de flujo o velocidad.- Es llamada también energía de
presión o trabajo de flujo y es la que estima o representa la cantidad de
trabajo necesario para poder mover algún elemento dentro de la tubería a
través de una sección contra la presión p, se calcula por medio de la
siguiente ecuación:
Análisis de la situación problema 23
“La fuerza sobre el elemento es pA, donde p es la presión en la
sección, y A es el área de esta. Al mover el elemento a través de la
sección, la fuerza recorre una distancia L igual a la longitud del
elemento”8.
TRABAJO = pAL = pV
Donde
V = Volumen del elemento, el mismo que se expresa así:
W = yV
Siendo y el peso específico, entonces el volumen del elemento es:
V =w/y
Y se obtiene:
Trabajo = pV = pw / y; llamada además también como energía
de flujo.
Si analizamos los elementos queda que la cantidad o valor total de
energía es la suma de estas tres formas (velocidad, flujo de trabajo y
energía potencial), y que se expresa E mediante la siguiente expresión:
E = EF + EP +EC
E =
Análisis de la situación problema 24
1.5.1.2 Energía eléctrica
La energía eléctrica actualmente es uno de los mayores pilares y
fuente de desarrollo para todo el mundo actual ya que ayuda a mejorar
día a día a buscar el éxito, también se puede indicar que es la fuerza
motriz o motora que impulsa gran cantidad de industrias y funcionamiento
de aparatos, objetos y luminosidad o claridad en cualquier lugar del
mundo.
La electricidad en la república del Ecuador se ha desarrollado
especialmente mediante la generación hidráulica.
Ecuador cuenta con una vasta cantidad y gran diversidad de
vertientes de agua que impulsan la turbinas que generan electricidad,
durante el año 2009 la república del Ecuador tuvo sin duda alguna una de
las mayores crisis en el sector eléctrico, causada principalmente por la
sequía en aquel tiempo.
Actualmente Ecuador es uno de los principales países en invertir
hacia el desarrollo energético, mediante la creación de centrales
hidroeléctricas, embalses, centrales eólicas.
Estas construcciones son varias de las fuentes de energía que están
en desarrollo. Esto con el objetivo de poder exportar energía hacia los
países vecinos y dejar de ser importadores, así también como “la
necesidad de buscar alternativas para conseguir el ahorro energético, en
cuanto a esto, el consumo de energía por concepto de alumbrado público
tiene un valor considerable dentro de los sistemas eléctricos”
20
(Arízaga,
2006)
Guayaquil es la ciudad que posee la mayor cantidad de energía
consumida, datos del Instituto Nacional de Estadísticas y Censos INEC
Ecuador cuenta con un promedio de 18469 GWh.
Análisis de la situación problema 25
CUADRO N°3
PORCENTAJE DE FUENTES DE ENERGÍA EN ECUADOR
TIPOS DE ENERGÍA
PORCENTAJE DEL
TOTAL
Hidráulica
50,97
Termoeléctrica
41,8
Biomasa
1,27
Eólica
0,015
Otros
5,945
Fuente: Consumo de energía eléctrica
en países desarrollados comparados con el Ecuador
Elaborado por el autor.
La cantidad de consumo expresada en GWh representa 1 millón de
KWh, una bombilla que consume 100W necesitaría estar encendida por
un tiempo de 10 horas seguidas para cubrir 1 KW.
De acuerdo al nuevo modelo del sector eléctrico, la estructura actual
se clasifica en dos sectores:
-Generación y transmisión.
-Distribución y comercialización.
El Sistema Nacional Interconectado SNI cuenta aproximadamente
hace ya más de 50 años en Ecuador y es la suma o total de las redes de
generación, transmisión, distribución, estaciones, subestaciones y torres
de energía. “El SNI permite la producción y transferencia de energía
eléctrica entre centros de generación y centros de consumo”. (Navarrete,
2010)
Análisis de la situación problema 26
FIGURA N°8
LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Fuente: Glosario de términos. Sistema Eléctrico Ecuatoriano
También se cuenta en el Ecuador con el Sistema Nacional de
Transmisión SNT, el cual es el conjunto de líneas y subestaciones.
FIGURA N°9
SUBESTACIÓN PASCUALES
Fuente: Glosario de términos. Sistema Eléctrico Ecuatoriano
Análisis de la situación problema 27
La principales hidroeléctricas del país están en Paute (1075 MW),
Marcel Laniado (213 MW), Agoyán (156 MW) y Pisayambo-Pucará (71.44
MW).
Las centrales termoeléctricas con mayor capacidad de generación
se encuentran domiciliadas en Guayaquil, 1 en Machala y 1 en Manabí.
CUADRO N°4
PRINCIPALES TERMOLÉCTRICAS
EMPRESA
POTENCIA EF. MW
Electroguayas
325
CATEG-G
205.5
Electroquil
181
Machala Power
Termoesmeraldas
139,5
131
Fuente: Diagnóstico del sector eléctrico
Bajo el modelo de la competencia
Elaborado por el autor.
Entre las empresas hidroeléctricas y termoeléctricas, el 81% del total
de generación es por parte de empresas estatales, el Estado controla el
100% de la transmisión la cual es operada bajo la CELEC EPTRANSELECTRIC, creada a través del Decreto Ejecutivo 220 el 14 de
enero del año 2010 naciendo así la Empresa Pública Estratégica,
Corporación Eléctrica del Ecuador, “CELEC EP”.
Análisis de la situación problema 28
FIGURA N°10
SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO.
Fuente: Evaluación de los aspectos favorables y de los
Factores adversos de la interconexión con Colombia
Análisis de la situación problema 29
1.5.1.3 Grifos y tuberías
Los grifos son elementos ubicados en las salidas de tuberías que por
las cuales circulan fluidos y que tienen como propósito la de limitar u
obstruir la salida del mismo, estos por lo general están fabricados en
materiales como aleaciones de cobre, bronce, latón, acero y hierro, así
también como de plásticos.
Los grifos o llaves contienen o cuentan con un ducto o pasaje por
donde pasa el fluido, tienen una canastilla interna de material metálico o
que también puede ser de porcelana que sirve o que tiene como función
de auto sujeción contra las paredes de la llave, estas se utilizan en
lugares como mesones, baños, lavabos y todo lugar donde haya una
salida de fluido.
Para el Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN a través de la
norma 965-2012 señala las definiciones y clasificación de los grifos:
Llaves de salida.- “destinada a regular el flujo directo del líquido
hacia el exterior “3 (Instituto ecuatoriano de normalización, INEN, 2012).
Llaves de paso.- “destinada a controlar o cortar el flujo de agua en
una tubería”4 (Instituto ecuatoriano de normalización, INEN, 2012).
Llaves mezcladoras,- “llave destinada a regular el flujo de dos
tuberías en una sola salida hacia el exterior”5 (Instituto ecuatoriano de
normalización, INEN, 2012).
A las llaves de salida el Instituto ecuatoriano de normalización INEN
las clasifica de la siguiente manera:
Llaves de pico.- Son aquellas llaves o grifos que no poseen acople
de manguera.
Análisis de la situación problema 30
FIGURA N°11
LLAVE DE PICO
Fuente: INEN
Llave para manguera.- destinada a recibir acople de manguera.
FIGURA N°12
LLAVE PARA MANGUERA
Fuente: INEN
Llave individual.- Llave destinada a regular el flujo proveniente de
una tubería.
Análisis de la situación problema 31
FIGURA N°13
LLAVE INDIVIDUAL
Fuente: INEN
Llave de paso.- Llave destinada a controlar (regular) o cortar el flujo
de agua en una tubería.
FIGURA N°14
LLAVE DE PASO
Fuente: INEN
Llave mezcladora.- Llave que permite combinar y regular el flujo
proveniente de dos tuberías (agua caliente y fría).
Análisis de la situación problema 32
FIGURA N°15
LLAVES MEZCLADORAS
Fuente: INEN
Grifo de compuerta.- Válvula donde el cierre se realiza mediante un
disco deslizante vertical en ángulos rectos.
FIGURA N°16
LLAVE DE COMPUERTA
Fuente: INEN
Análisis de la situación problema 33
Las innovaciones más recientes en los grifos son incorporaciones en
los cartuchos usados para reducir el nivel de plomo y cloro, otra
innovación son los grifos electrónicos provistos de sensores mediante
baterías o simplemente conectados al Sistema Nacional Interconectado,
también se hallan diseños para las personas con discapacidad.
Las griferías electrónicas se introdujeron en la década de 1980 con
fines de contar con una mejor higiene y de ahorrar agua, estas se
encuentran equipadas con sistema infrarrojo de radiofrecuencia y
electromagnéticas que detectan movimiento.
Cuando una persona pasa a meter la mano debajo del grifo, el haz
infrarrojo es interrumpido, y esta alteración provoca que un sensor se
active y dispare una señal hacia la bomba para que abra el flujo o caudal,
provocando así su salida. Este tipo de llaves funcionan con baterías o
simplemente pilas alcalinas o recargables de acuerdo al fabricante.
Los grifos electrónicos también se han distribuido no solo en
Ecuador sino a nivel mundial y su utilización principalmente es el uso
decorativo junto a luces LED que emiten destellos o animaciones de
varios colores e incluso formas, brindando un ambiente agradable y
novedoso para lugares de entretenimiento como plazas, parques, centros
comerciales, oficinas e incluso también hay hogares que poseen la
oportunidad de contar con estos grifos.
Más novedades seguramente se presentarán para mejorar la vida de
muchos propietarios ya que es parte natural la invención de nuevos
equipos para el hombre.
Así mismo existen grifos para todos los estratos sociales, desde los
simples para uso común en los hogares hasta súper lujosos solicitados
bajo pedido de fabricación por parte de los clientes para poder ser
utilizados en ciertos lugares de los hogares u oficinas.
Análisis de la situación problema 34
CUADRO N°5
CLASES DE GRIFERÍA SEGÚN ESTRATO
LÍNEA
CARACTERÍSTICAS
NICHO DE MERCADO
Son modelos exclusivos, a la estructura
se le incorpora valor agregado tales
como:
- Baño de oro
SUPER LUJO
- Baño de oro y cromo
Materia prima íntegramente de bronce,
dándole las siguientes características:
Clase socio-económica muy alta
- Mayor estabilidad al choque térmico.
- Mayor soporte a presiones altas
- Montaje más fácil
Son modelos exclusivos, pero con menos
acabado que los de la línea súper lujos
así mismo le incorpora valor agregado
como:
LUJO
- Baño de combinaciones.
Clase socio-económica alta
Materia prima íntegramente de bronce,
dándole las siguientes características:
- Mayor estabilidad al choque térmico.
- Mayor soporte a presiones altas
Son modelos de mayor facilidad de
fabricación
INTERMEDIA
La materia prima es híbrida, se utilizan
aleaciones
Clase socio-económica intermedia
Los diseños no son exclusivos y por tanto
no tienen acabados de lujo
Las mismas funciones que las de la línea
intermedia, se busca cubrir las funciones
ECONÓMICA
básicas del producto, sin mayor valor
agregado
Fuente: Proyecto de Prefactibilidad de
Comercialización de grifería
al mercado de Costa Rica
Elaborado por el autor.
Clase socio-económica baja
Análisis de la situación problema 35
El método de fabricación más conveniente es el fundido a baja
presión, el cual da mayor seguridad a los trabajadores y genera un
método relativamente económico de producción.
Fundición: El compuesto es colocado en la máquina formadora de
moldes a altas temperaturas, aproximadamente a 900°C, La materia
prima es fundida, el cual toma la forma por medio del vaciado dentro de
los moldes para después de enfriado pueda ser enviado al siguiente paso
que es el fresado o procesado.
Procesado: Las llaves o grifos pasan al proceso de maquinado, a
través de máquinas herramientas como tornos revolver, donde se realiza
el fileteado de roscas, agujeros donde se alojan las válvulas, así mismo se
procesa el corte de las secciones internas que debe poseer el grifo de
acuerdo al modelo, aquí también se maquinan los mandos o manijas
fundidas en moldes diferentes al cuerpo.
Pulida: Ya que los cuerpos y mandos están maquinados pasan a un
proceso de pulido por medio de discos abrasivos, en esta sección también
se sumergen las piezas en ácido para librar de impureza durante su
maquinado que pueda causar un reproceso hacia el siguiente paso.
Recubrimiento
(galvanizado
o
cromado):
Este
propósito
electrolítico consiste en colocar una capa fina de recubrimiento de la
aleación solicitada cromo-níquel con el objetivo de brindar aislamiento a la
corrosión.
Ensamblaje: Aquí se realiza el ensamblaje de los componentes,
válvulas y sellos o rings para dar forma al grifo. Este producto pasa por
controles de calidad exhaustivos que miden e inspeccionan:
- Apariencia.
- Prueba de presión.
Análisis de la situación problema 36
- prueba hidráulica e hidrostática.
Los componentes que no cumplen las especificaciones son
nuevamente llevadas al área de manufactura con el objetivo de programar
un reproceso.
Manos libres
=
higiene
Ahorrar de agua
=
respeto al ambiente
Ahorrar de agua
=
ahorro de dinero
=
ahorro de agua
Las llaves o grifos son productos u objetos que suelen estar
montados e instalados sobre tuberías para el paso de agua por medio de
distintos mecanismos como mandos, manijas, sensores, e incluso por
medio de presión.
En Ecuador se fabrica gran cantidad de modelos, tipos y acabados
que permiten ofrecer al consumidor o usuario un abanico de opciones
para las distintas aplicaciones.
Actualmente existe un gran sin número de bienes y/o servicios que
ayudan a toda la humanidad e industrias a satisfacer las necesidades o
requerimientos.
Desde tiempos antiquísimos hasta hoy en día, la civilización entera
diseña, elabora y ha desarrollado sistemáticamente procesos productivos
y/o servicios, que ayudan a facilitar todo tipo de requerimientos que desee
el hombre, de acuerdo con las necesidades se realiza el diseño para
luego producirlo e implementar los recursos necesarios para su
producción o implementación.
Las tuberías o ductos son componentes que sirven para el
transporte de fluidos, siendo uno de los medios más seguros, confiables y
económicos para el fin.
Análisis de la situación problema 37
Las tuberías no se presentan de forma lisa y de un solo material, la
disposición para la fabricación de este componente es de una variada
gama de materias primas así como de sus distintas aplicaciones,
aplicaciones como la doméstica de uso común para el agua y que se
presentan en los hogares; alimenticios, fabricados especialmente de la
aleación del hierro más carbono como es el acero, y este recubierto de
materiales no corrosivos para evitar contaminación alguna con los
alimentos.
Así también encontramos los ductos para el transporte de
combustibles como el petróleo y sus derivados, de gasoductos. E incluso
de tuberías o ductos de concreto.
1.5.1.4 Capacitores y dínamos
Desde hace años atrás se utiliza el concepto de almacenar energía o
cargas eléctricas para luego entregar golpes o destellos de corriente, este
fenómeno que se conoce como “capacidad” se halla presente entre
conductores y cuando es realizada de forma expresa toma el nombre de
capacitor.
Cuando se aplica una carga de energía entre sus caras, este
dispositivo se carga y que depende mucho del tiempo que tardó en
cargarse y el valor de la tensión.
La energía que puede almacenarse de forma electroestática es de
1/2 CV2. Esta energía que es absorbida durante un tiempo, la potencia
que se requiere se define así:
Pav=C*V2 / 2*t
Donde:
Pav : Potencia media en vatios.
Análisis de la situación problema 38
C : Capacidad en Faradios
V : Tensión en voltios
t :
Tiempo de carga
Los dínamos son dispositivos que pueden generar energía eléctrica
y que depende de su capacidad para generarla y las revoluciones que
debe tomar este componente para que pueda generar energía por medio
de campos magnéticos.
Los dínamos también son generadores, y especialmente se difieren
en nombres con estos son por la capacidad de energía que pueden
producir, mientras los dínamos producen pequeñas cantidades los
generadores lo hacen a mayor grado.
Los dínamos pueden clasificarse especialmente de dos tipos:
“compound y shut”.
Los dínamos de tipo shut son los más modernos y no presentan
alternadores, su principal característica consiste en las conexiones en
paralelo que presentan sus bobinas de excitación, dicho de otra manera
se espera que todas las bobinas estén excitadas para allí empezar a
cargar.
Los dínamos compound son de conexiones mixtas, tanto en paralelo
como en serie, de esa manera su mejor característica y diferencia es que
en sus primeros giros se consiga abastecer plenamente el campo
magnético.
1.5.2 Fundamentación legal
En estos últimos 30 años, la actividad que genera el ser humano ha
producido efectos negativos sobre el ciclo normal del agua, debido
especialmente a tres causas:
Análisis de la situación problema 39
1.- La modificación de la superficie terrestre
2.- La contaminación
3.- La sobreexplotación del recurso.
Es meritorio incorporar la evolución jurídico-legal del derecho
humano en general con respecto al agua en el territorio ecuatoriano
debido a que, durante las décadas de los 80 y 90, tuvieron lugar una ola
de reformas en el marco legal ambiental de casi todos los países del
continente de América del Sur.
Por otro lado, el marco de los derechos se expandió hacia los
llamados derechos económicos, sociales y culturales, incorporando los
temas relacionados al ambiente y creándose centros o agencias estatales
específicos para la gestión ambiental.
En este nuevo marco constitucional actual se incorpora la demanda
del derecho humano al agua como consecuencia a la inclusión y al
pluralismo jurídico.
La Constitución ecuatoriana del año 2008, impulsada desde una
corriente
progresista,
que
concentró
a
muchos
movimientos
y
organizaciones sociales afines al movimiento político del gobierno central,
la cual fue aceptada por medio consulta popular, representando un paso a
la profundización de la cobertura de los derechos ciudadanos de las
zonas quizás menos influyentes en el país y los Derechos de la
Naturaleza dentro de una perspectiva de desarrollo.
“El Ecuador es un Estado Constitucional de Derechos y Justicia, en
el cual los derechos de las personas se encuentran a la par de las leyes,
la ley ha perdido su posición de primacía y en las constituciones se
incluyen principios materiales de justicia que desarrollan su influencia en
Análisis de la situación problema 40
todos y cada uno de los sectores del Ordenamiento Jurídico Legal”9
(Claudia López Pardo y Diana Balarezo Vinueza, 2012) .
Así, de esta manera en el artículo 14 de la Constitución
ecuatoriana dice:
“Se reconoce que la población tiene el derecho a vivir en
un medio ambiente sano y ecológicamente equilibrado en
donde se garantice la sostenibilidad y el buen vivir, sumak
kawsay.
Se declara de interés público la preservación del
ambiente, la conservación de los ecosistemas, la
biodiversidad y la integridad del patrimonio genético del
país, la prevención del daño ambiental y la recuperación
de los espacios naturales degradados”10 (Constitución de
la República del Ecuador, 2008).
La enunciación del derecho humano al agua en la nueva
Constitución del año 2008 ha significado avances que han sido traducidos
en políticas gubernamentales.
“En la inversión pública existen mayores recursos para agua potable
y saneamiento, lo que ha determinado la ampliación de cobertura,
prioritariamente en el área urbana”11 (Banco Central del Ecuador, 2011).
Para la SENAGUA, la falta de aprobación de la Ley de Aguas
complejiza su rectoría y el cumplimiento de lo establecido en la
Constitución acerca del agua y del derecho humano a la misma.
Una encuesta realizada en el año 2012 por el Instituto Nacional de
Estadísticas y Censos INEC el 34% de las empresas capta agua de la red
pública.
Análisis de la situación problema 41
1.5.3 Fundamentación ambiental
El agua es un recurso imprescindible para el desarrollo de la vida,
solo el 3 % del volumen total del planeta es agua dulce disponible para el
hombre; la contaminación, el mal uso, los costos de captación, trasporte y
potabilización lo convierten en un recurso limitado que debe preservarse.
Algunas de las formas en las que el hombre ha modificado la
superficie terrestre afectando el movimiento natural del agua son a través
de los asentamientos humanos, la sustitución de suelo por asfalto, la
interrupción y el desvío de los cauces de los ríos.
Ecuador es un país rico en recurso hídrico, aquí se hayan los
principales afluentes del río Amazonas y, justamente por esto tiene la
mayor concentración de ríos por milla cuadrada a nivel mundial. En este
pequeño territorio de 256.370 km2, según la Secretaría Nacional del Agua
(SENAGUA), se tiene disponibilidad de agua de alrededor de 22.500 m3
por habitante cada año. “La escorrentía corre por las 79 cuencas
hidrográficas,
las
137
subcuencas
y
las
aproximadamente
890
microcuencas que existen en el país”12 (Claudia López Pardo y Diana
Balarezo Vinueza, 2012).
Las cuencas hidrográficas se encuentran repartidas en dos
vertientes que nacen en la Sierra y que se extienden hacia ambos lados
de la misma. Hacia el Occidente, la vertiente del Pacífico distribuye 72
cuencas a través de sus principales ríos: Cayapas, Santiago, Esmeraldas,
Chone, Guayas, Cañar, Balao, Gala, Tenguel y Jubones, sumando
aproximadamente el 48% del territorio nacional, con una disponibilidad en
régimen natural de 9.610 m3 por habitante al año y un potencial de agua
subterránea calculada en 10.400 m3/año.
Hacia el Oriente, la vertiente del Amazonas posee siete cuencas que
ocupan el 52% del territorio y posee una disponibilidad de agua que llega
Análisis de la situación problema 42
a los 111.100 m3 por habitante al año, distribuida por sus ríos más
importantes como son: San Miguel, Aguarico, Napo, Pastaza, Morona y
Santiago, entre otros.
En Guayaquil el 85.92 % de pobladores que reciben el servicio de
agua potable a través de la red pública, según datos del censo del
Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC) de 2010. Otros lo
hacen mediante tanqueros (12.53%), pozos (0.71%), ríos, vertientes,
acequias o canales (0.19%), y otros como agua lluvia o albarrada (0.64 %)
La UNESCO predice para la segunda mitad del siglo XXI conflictos
internacionales como consecuencia de la escasez de recursos hídricos en
diferentes lugares del mundo.
La legislación a nivel mundial está reglamentando su utilización para
poder conservarlo. Medidas como reúso, tratamiento, regulación,
educación, concientización, mantenimiento de redes de trasporte,
medición y sistemas tarifarios acordes, logrará su disponibilidad por
mucho tiempo. La edificación actual y futura no escapa a esta realidad y
es un factor indispensable para la minimización del uso del agua y su
futura conservación.
FIGURA N°17
TOTAL DE AGUA EN EL PLANETA
Fuente: Problemática del agua en México y el mundo.
CAPÍTULO II
DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL
2.1 Metodología y diseño de la investigación
El proyecto estimará a las empresas de tipo industrial domiciliadas
en el sector norte de Guayaquil, ya que estas empresas son las que
mayor inversión presentan en sistemas o productos ecológicos que
minimicen el impacto ambiental en la ciudad de Guayaquil.
La muestra será tomada de los datos arrojados por el Instituto
Nacional de Estadísticas y Censos INEC, los cuales fueron del último
censo nacional económico realizado en el año 2010.
FIGURA N°18
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACION
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
ANALIS BIBLIOGRÁFICO
DOCUMENTACIÓN
RECOLECCIÓN DE DATOS
DISEÑO DEL MODELO MATEMÁTICO
INVESTIGACIÓN
PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS,
SOLUCIÓN Y EVALUACIÓN
Fuente: Elaborado por el autor
Diagnóstico de la situación actual 44
La metodología o procedimiento de ejecución que se utilizará para el
desarrollo de este proyecto de Tesis o trabajo de titulación y que es de
carácter experimental e innovador serán las técnicas nombradas a
continuación:
- Recopilación de información
- Análisis bibliográfico.
- Recolección de datos.
- Documentación.
- Diseño del modelo matemático-investigación
- Planteamiento de alternativas, solución y evaluación.
2.2 Instrumentos de la investigación
La metodología para desarrollar este tema de investigación será del
tipo teórica experimental ya que se busca conseguir la utilización de las
variables que nos proporciona la naturaleza para que por medio de los
principios de la hidrodinámica se transforme en energía mecánica para
que por medio de un dínamo genere energía eléctrica
El modelo que se plantea para recoger la información necesaria y
veraz en busca de la realización de este proyecto será dirigido en
beneficio de toda la sociedad.
2.3 Operacionalización de las variables
Las variables con las cuáles se trabajará en este proyecto son de
tipo tanto físicas y mecánicas.
Las variables son:
1.- ¿La hidrodinámica puede ser aplicada en tuberías o ductos que
transporten agua?
Diagnóstico de la situación actual 45
2- ¿Las leyes señalan que la presión de los fluidos es menor cuando se
estrecha los ductos, pero por reciprocidad la velocidad aumenta, está
velocidad podrá ayudar en búsqueda de la resolución del problema
planteado?
3.- ¿El almacenaje de energía puede realizarse por medio de un banco de
capacitores o UPS?
2.4
Procedimientos de investigación
Esto proyecto será realizado de una forma secuencial, desde la
investigación científica de las leyes que rigen el movimiento o mecánica
de los fluidos en los ductos o tuberías, así también como la recopilación
de información primaria proporcionada por el mercado.
Diseñar el mecanismo que pueda ser instalado en las empresas.
Desarrollar los cálculos físicos-matemáticos para tuberías y simular
la aplicabilidad del sistema con distintas variables.
2.5
Investigación de mercado
2.5.1 Demanda
La demanda considerada estará determinada por quienes serán
quienes utilicen el sistema para ahorrar energía, el mismo que será
denominado como mercado meta. Se realiza un estudio de mercado para
confirmar la situación actual del problema de energía que se suscita a
nivel mundial pero enfocarlo al mercado meta.
El medio de información de los datos estadísticos del último censo
económico realizado por el Instituto Nacional de Estadísticas y Censos
“INEC”, así también como de la Cámara de Comercio de Guayaquil,
Diagnóstico de la situación actual 46
ayudará a estratificar el mercado en establecimientos y la actividad
económica a la que se dedican.
En
Guayaquil
existen
87206
establecimientos
económicos,
clasificándolos en tres distintas actividades: (INEC, 2010)
Actividades productivas.- Son las que se dedican a la elaboración
de productos de panadería, fabricación de productos metálicos para uso
estructural.
Actividades de comercio.- Dedicadas a la venta de alimentos,
bebidas y tabaco; así también como otras actividades de comercio al por
menor en que no predominen estos tres elementos anteriores.
Servicios.- Actividades de hoteles, restaurantes y servicios móviles
de comida, como también actividades de telecomunicaciones.
El cuadro adjunto muestra porcentualmente la diferencia relativa
entre los sectores económicos.
CUADRO N°6
SECTORES ECONÓMICOS
60
50
40
30
20
10
0
Productivos
Comerciales
Servicio
Fuente: INEC
Elaborado por el autor.
Diagnóstico de la situación actual 47
Los datos proporcionados indican que la ciudad de Guayaquil posee
un número total de 50083 establecimientos comerciales, así mismo existe
una cantidad de 30003 establecimientos en el sector de servicios y de
igual manera un total de 6991 establecimientos dedicados a la
manufactura tal cual ha sido estratificado.
Sectorizada las distintas actividades económicas de las empresas
que se encuentran en la ciudad, se debe también estratificar cual será la
demanda neta, para lo cual se expresa la relación proporcionada por la
Cámara de Comercio de Guayaquil, donde se indica en que zona se
concentra la mayor cantidad de actividad comercial, y el porcentaje de la
cantidad de establecimientos en los distintos sectores de la urbe porteña.
Los datos proporcionados por la Cámara de Comercio son del 43%
para el sector centro de la ciudad, el 34% para la región norte y el 23%
para la parte sur del total de establecimientos en Guayaquil.
CUADRO N°7
DENSIDAD COMERCIAL
45%
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
centro
Sur
Norte
Fuente: INEC
Elaborado por el autor
Diagnóstico de la situación actual 48
De acuerdo a los datos y estadísticas se obtiene la relación lógica de
que
el
sector
norte
posee
una
actividad
comercial
de
29650
establecimientos, la parte sur 20057 y la parte centro de la urbe 37498.
Cabe indicar que si la parte del casco central de la urbe posee una
mayor cantidad de establecimientos económicos, se debe básicamente a
actividades comerciales y de servicio, especialmente microempresarios,
por lo que considerar este sector podría influir en un sesgo que denotaría
un error al aplicarla en este proyecto.
La demanda actual a ser considerada será el promedio de consumo
de energía en la ciudad de Guayaquil, siendo esta de 1846,2 KW.
“Gigavatios” por el número de establecimientos o empresas del sector
manufacturero en la parte norte de la ciudad. Así mismo se debe tener
presente que cerca del 30,14 % del promedio corresponde al sector
industrial.
Demanda =consumo promedio energía * empresas industriales en el norte
Demanda =1846,2 GWh (0,30) * (6991 empresas) (0,34)
Demanda =553,86 * 2377 empresas
Demanda =1316,53 GWh
2.5.2 Demanda futura
Ya que se cuenta estratificado el mercado se puede cuantificar cual
es la demanda que receptará el proyecto para su sustentabilidad y su
incipiente uso en el mercado al cual será dirigido.
La necesidad de requerir información primaria, para así conocer el
efecto de uso de este producto o sistema en el mercado. Para ello se
necesitará realizar la técnica de la encuesta utilizando el muestreo que
será dirigido al personal de las distintas empresas del sector y que se
encuentran relacionadas al área de mantenimiento, ya que sería
Diagnóstico de la situación actual 49
prácticamente imposible recopilar íntegramente una cantidad tan grande
de datos.
La fórmula para poder realizar esta técnica es la siguiente:
n= M / [e² (M – 1) + 1]
Donde:
n: tamaño de la muestra
M: población o universo
e: error máximo admisible (7%)
Entonces:
n=2377 / [(0.07)² (2377 – 1) + 1]
n=188 encuestas
Se realizará el análisis en los establecimientos ubicados en la parte
norte de la ciudad, esto debido a que el sector norte de la ciudad es la
que contiene la mayor cantidad de número de empresas dedicadas al
sector manufacturero o industrial.
Si se realiza la encuesta a nivel local, se puede dar un sesgo que
induciría a errores en el estudio al ser los sectores de Guayaquil tan
dispersos.
Los resultados de la encuesta son los siguientes:
La pregunta 1 hace mención en el tiempo de reposición de los grifos
y luminarias utilizados, la mayor cantidad de encuestados respondió que
desde los 8 años ya se empieza a renovar el sistema de tuberías de las
empresas en las cuales trabajan y que cada dos años reponen las
luminarias. Ver cuadro 7.
Diagnóstico de la situación actual 50
CUADRO N°8
TIEMPO DE REPOSICIÓN
60
50
40
30
20
10
0
Grifos
Luminarias
Fuente: Encuesta
Elaborado por el Autor.
La pregunta número 2 hace referencia de cómo se manejan los
desechos y las políticas para ahorrar desperdicios en los últimos años, los
resultados dan una tendencia positiva. Ver cuadro 8.
CUADRO N°9
MANEJO DE DESPERDICIOS
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
servicio
comercial
2010
Fuente: Encuesta
Elaborado por el Autor.
2011
manufactura
2012
Diagnóstico de la situación actual 51
La pregunta número tres indica que conocimiento poseen las
empresas sobre los sistemas de ahorro de energía a nivel mundial en la
actualidad, de las cuales la distribución de las respuestas apunta hacia
generadores solares.
Así mismo se denota que no tienen conocimiento sobre generación
de energía a través de la dinámica en las tuberías o ductos que
transportan agua u otros fluidos. Ver cuadro 9.
CUADRO N°10
SISTEMAS DE AHORRO
140
120
100
80
60
40
20
0
Fuente: Encuesta
Elaborado por el Autor.
La última pregunta de la encuesta consistió en la disposición que
tendrá el mercado en utilizar un nuevo sistema de generación
energéticamente, los resultados muestran que las empresas si migrarían
a un sistema más limpio y beneficio para el ambiente. Ver cuadro 10.
Diagnóstico de la situación actual 52
CUADRO N°11
DISPOSICIÓN A INVERTIR EN SISTEMAS DE AHORRO
150
100
50
0
Si cambiaría
Talvez
NO
Fuente: Encuesta
Elaborado por el Autor.
“El porcentaje de empresas con licencia ambiental aumentó desde
un 12% en 2010 a 17% en 2012. En los años 2010, 2011 y 2012, el mayor
porcentaje de licencias ambientales fueron otorgadas por gobiernos
seccionales”.13 (INEN, Instituto Ecuatorino de Estadísticas y Censos).
2.5.3 Precio
Hoy en día, la variedad de grifos existentes en el mercado da a
entender también la diversidad de precios de los mismos, influenciados en
gran parte por la calidad del producto.
El consumo promedio de energía en la ciudad de Guayaquil es de
1846,2 GWh, siendo el costo promedio de $8,75 por cada KWh al año, de
acuerdo a la publicación del Consejo Nacional de Electricidad CONELEC.
2.5.4 Oferta
La oferta actual estará compuesta del producto entre el número de
empresas o establecimientos y el promedio de consumo de energía, el
cual es de 1846,2 GWh. Guayaquil es la ciudad que más energía
consume a nivel nacional.
Diagnóstico de la situación actual 53
Para poder estimar la oferta actual se calcula el Consumo Nacional
Aparente, y los datos dados por el boletín por el Ministerio de Electricidad
y Energía Renovable.
Se utiliza la siguiente expresión o ecuación matemática para realizar
el cálculo.
CNA= (Pn. + Imp.) – Exp.
Donde:
Pn. : Producción nacional.
Imp. :Importaciones.
Exp. :Exportaciones.
Entones
CNA= (Pn. + Imp.) – Exp.
CNA= (23488.52 GWh + 1120.43 GWh) -20.76 GWh
CNA= 24588,19 GWh
El consumo nacional aparente es de 24588,19 GWh
Aproximadamente Guayaquil bordea los 7,5% de la demanda
nacional del total de la energía eléctrica del total del país.
Of = 24588,19 GWh *(0,07)
Of = 1844,11 GWh
De acuerdo a lo desarrollado la oferta de energía en la ciudad de
Guayaquil es de 1844,11 GWh.
A continuación se muestra mediante un gráfico el consumo nacional
aparente y el total de exportaciones e importaciones.
Diagnóstico de la situación actual 54
CUADRO N°12
CONSUMO NACIONAL APARENTE
1120,4
20,8
Importaciones
Exportaciones
Produccion
nacional
23488,52
Fuente: Datos de oferta
Elaborado por el Autor.
2.5.5 Demanda insatisfecha
La demanda insatisfecha será la diferencia entre la demanda y la
oferta, la cual deberá ser ajustada de acuerdo al promedio de facturación
que tienen las empresas con respectos a otros sectores económicos.
DI = D – Oferta.
DI = (1316,53 GWh) – ( 1844,11 * 30,14 %) GWh
DI = (1316,53 – 555,81 ) GWh
DI = 760,72 GWh
Diagnóstico de la situación actual 55
2.6
Estudio técnico
2.6.1 Ingeniería y proceso del producto
En un momento de esta investigación, la demostración de la fuerza
contenida en los ductos de agua estuvo dirigida en desarrollar el sistema
en tuberías de uso domiciliario.
La extensa mayoría de las tuberías de los hogares son de plástico
de policloruro de vinilo, más conocido como PVC y con un diámetro de
1/2“ INCH, lo cual luego de la investigación arrojó como no posible.
El primer valor que se utiliza es la velocidad del flujo (agua) dentro
de la tubería, para ello se conoce que el caudal promedio en la zona norte
es de 1,5
.
Las tuberías de PVC al decir que son de media pulgada (1/2“ inch)
no quiere decir que sea el diámetro, de hecho de acuerdo a las normas
vigentes existen diámetros de tolerancia para su aceptabilidad.
El diámetro nominal o útil de una tubería es aquel diámetro interno
libre para que el fluido se pueda desplazar. El diámetro útil de una tubería
es de 24 mm la cual se puede realizar de forma física, simplemente
midiendo la tubería.
Al tener las dos variables se puede encontrar la velocidad utilizando
la siguiente fórmula:
V=Q/A
Diagnóstico de la situación actual 56
⁄
Se encuentra que la velocidad es de 3317,41 m/h, ahora que se
tiene presente este valor, se puede relacionar la fuerza que debe haber
en este recinto para hacer girar los álabes del dínamo, para lo cual es
necesario encontrar la fuerza hidrodinámica.
Para encontrar la presión se debe emplear como principio la
ecuación que Bernoulli promulgó, la cual se expresa de la siguiente
manera:
De esta ecuación se simplifica la altura debido a que considerará
que la tubería de estudio se encuentra a nivel del suelo, por lo que la
ecuación se reduce así:
Con la ecuación reducida a la expresión anterior se encontrará el
valor de la presión, teniendo en consideración que la tubería a la cual va a
Diagnóstico de la situación actual 57
ser instalado el sistema se halla en cualquier punto de la red de tuberías
dispuesta en los hogares o sitios de trabajo, y que de acuerdo a los datos
entregados por Ecapag por medio de sus sistemas de auditorías, en la
zona norte de Pascuales se tiene una presión promedio de 2,8 mca en
ductos que no sobrepasan los 50 mm de diámetro.
La unidad mca es una magnitud de presión que indica un metro de
columna de agua, la cual es igual a 9806,65 Pa.
Este valor se considerará como la salida de presión p1 y se lo
remplazará en la fórmula anterior.
⁄
⁄
⁄
⁄
Diagnóstico de la situación actual 58
La presión de salida o la presión en cualquier punto será de 27883,2
Pa, ya que tenemos este valor se procederá a calcular la fuerza de trabajo
que tomará en mover los álabes del dínamo.
Para poder encontrar esta magnitud se relaciona con Bernoulli
nuevamente para allí encontrar la Fuerza o también llamado flujo
volumétrico.
Esta ecuación que podría llamarse casi general para los fluidos no
viscosos, se descompone en tres tipos de energía partiendo de una de
leyes de la energía que dice “la energía no se crea ni se destruye, solo se
transforma”.
Una de ellas es la energía de flujo, que se extiende hasta encontrar
el trabajo mediante la siguiente expresión:
( )
A esta ecuación se dice v es el volumen específico, y que para
encontrarlo se utiliza la siguiente ecuación:
Diagnóstico de la situación actual 59
Joules
Estos resultados demuestran que no es posible mover los álabes del
dínamo para así poder generar energía, y aunque el dínamo es de
proporciones pequeñas, es necesario que el movimiento de este
componente sea de forma contínua, lo cual no sería debido a las
dimensiones que posee la tubería, sin embargo que pasa si se simula
para unas tuberías de mayor diámetro ya que la presión necesaria es de
30000000 Joules aproximadamente para hacer girar un dínamo que
genere alrededor de 1200 Watt.
FIGURA N°19
SIMULACIÓN DE EVENTOS POR MEDIOS ALEATORIOS
Elaborado por el Autor.
La hélice diseñada para el mecanismo se encuentra provista de
ángulos que minimizan el efecto cavitación/erosión que suele formarse en
este tipo de equipos o repuestos, diseñado de manera que maximice el
Diagnóstico de la situación actual 60
impacto positivo sobre el mecanismo planteado para así brindar una
mayor cantidad de horas de servicio sin necesidad de un mantenimiento
brusco de manera correctiva en tan pocas horas de trabajo.
Una de las conclusiones favorables al realizar este proyecto resulta
que al aumentar la presión, el trabajo que pueda realizar también será
mayor, esto se debe al principio de Bernoulli en el que dice que a mayor
diámetro existirá una mayor presión, por lo que si se sometiera el sistema
en conductos de agua para las industrias en donde sus tuberías son de
mayor diámetro que la de los hogares, y que por lo general utilizan
sistemas de fuerza adicionales como bombas seguramente será
implementado.
CAPÍTULO III
PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS,
SOLUCIÓN Y EVALUACIÓN
3.1 Estudio de resultados
Este trabajo de proyecto de innovación e investigación experimental,
ha sido realizado utilizando la metodología prevista para este estudio con
el objetivo general de crear un sistema que ayude a generar energía
eléctrica sin utilizar la conexión del Sistema Nacional Interconectado.
El proyecto fue delimitado hacia la utilización de la energía dinámica
disponible que existe en las tuberías, la investigación bibliográfica dio una
mejor visibilidad de la teoría sobre el movimiento que existe dentro de las
tuberías y de las propiedades que los fluidos poseen dentro de ellas.
El avance continuo de la utilización de los recursos con el fin de
aprovecharlos ha sido la constancia a lo largo de la historia por parte del
ser humano.
Las distintas leyes y ecuaciones de carácter científico se utilizan y
toman de base para el desarrollo y puesta en práctica para la realización
del sistema.
El sistema que se realizará consiste en instalar un mecanismo
formado por un dínamo, el mismo que cuenta con álabe o una especie de
turbina, este dínamo generará energía que será transmitida a un banco de
capacitores que la almacenará para allí utilizarla en las luminarias de la
empresa.
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 62
El dínamo debe contar con unos álabes que serán instalados en la
empresa donde inicia la zona generatriz, este dínamo estará sujeto
firmemente a la tubería y de manera compacta para evitar posibles fugas.
La hidrodinámica entra en acción al impulsar los álabes del dínamo,
esto se logra debido a la fuerza de trabajo o movimiento que existe en
tuberías, las cuales hay no solo en empresas de manufactura sino en
muchos otros sectores.
La energía producida que será de 12 V será transportada por medio
de cables hacia un banco de capacitores, el mismo que puede ser un
UPS, este almacenará la energía hasta que se descargue cuando se
encienda alguna luminaria o bombilla que es el trabajo que se pretende va
a realizar.
FIGURA N°20
UBICACIÓN DEL DÍNAMO EN EL SISTEMA (TUBERÍA).
Fuente: Elaborado por el autor.
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 63
No se tendrá que utilizar energía que provenga del Sistema Nacional
Interconectado, para sí poder combatir contra el calentamiento global
ahorrando energía y agua, por medio de la puesta en práctica de este
mecanismo.
FIGURA N°21
DISEÑO DEL ÁLABE O HÉLICE DENTRO DE LA TUBERÍA.
Fuente: Elaborado por el autor.
A continuación se detalla el proceso por el que los componentes
deberían pasar para poder ser utilizados en la instalación del sistema en
la tubería o venta.
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 64
FIGURA N°22
PROCESO DE ENSAMBLAJE DE SISTEMA
DÍNAMO
PLACA DEL
CIRCUITO
COLOCAR LOS
CAPACITORES EN
LA PLACA DEL
CIRCUITO
INTRODUCIR
PLACA EN CAJA
METÁLICA.
COLOCAR ÁLABES
EN EJE
COLOCAR EL
ACOPLE
AJUSTAR LOS
CABLES DE
ENERGÍA EN EL
DÍNAMO
BANCO DE
PRUEBAS
EMBALAJE
Fuente: Elaborado por el autor.
3.2 Análisis costo beneficio
Es interesante conocer como puede ser implementado este sistema
en donde se encuentren ductos o tuberías más grandes que las de uso
domiciliario, sin contar además de que puede ser utilizado en canales
abiertos bajo el mismo principio y con la misma facilidad.
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 65
El costo de la implementación del proyecto objeto de estudio para
generar una producción aproximada de 1200 Watts se detalla a
continuación:
CUADRO N°13
COSTO PROMEDIO DEL SISTEMA
DESCRIPCIÓN
CANT.
COSTO
Dínamo
1
$
14,80
Banco de capacitores / UPS
1
$
75,00
Acople
1
$
4,80
Rodamientos y álabe
1
$
8,00
Instalación
1
$
15,00
$
117,60
Fuente: Investigación de campo.
Elaborado por el Autor.
El valor de $117.60 es el costo promedio de implementar el sistema
en las unidades de red de agua, al considerar que el banco de
capacitores o UPS recibirá energía de forma constante, garantiza su
alimentación y minimizando la probabilidad de posible descarga del UPS.
Del 100% de la demanda de consumo de energía en la ciudad de
Guayaquil, el sector industrial consume alrededor del 46% de todo el total,
siendo el valor del KWh promedio de $0,097 por ser considerados fuera
del rango de la tarifa de la dignidad subsidiada por el Estado ecuatoriano
(INEN, Instituto Ecuatorino de Estadísticas y Censos).
21
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 66
Luego de los resultados se considera el producto del promedio de la
energía consumida al mes por el valor promedio del kWh más el impuesto
municipal.
Un bombillo o foco de 100 Watts consume alrededor de 0.1 Ampere,
y si se toma en consideración un UPS con una capacidad de salida de
1200 Watts como indica la simulación con unas tuberías de 4-6 INCH de
diámetro para la implementación del sistema y considerando que el
tiempo de respaldo es de 6 a 8 horas, el costo del sistema actual es el
mostrado a continuación:
Costo energía
= $0,097
Consumo KWh
= 1.1
Tasa municipal
= 19,5% c/KWh
Días hábiles mes = 22
Costo = [1,1 KWh * $0,097 + (1,1 * 0,097 *19,5%)]
Costo = [$ 0,107 KWh + $0,021 KWh]
Costo = $0,128 KWh
El costo de mantener encendido once bombillos en el lapso de una
hora es de $0,128 para lo cual se debe considerar el tiempo que se
consume al mes, que será de 8 horas diarias y con 22 días al mes.
Costo mensual = $0,128 KWh * 176 h
Costo mensual = $22,44
Costo anual = $22,44 * 12 meses
Costo anual = $269,29
El beneficio económico anual de implementar este sistema en una
unidad, el cual se prevé pueda alimentar a once bombillos es de $ 151,69
al año.
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 67
CUADRO N°14
RELACIÓN ENTRE EL COSTO DEL SISTEMA
ACTUAL Y DEL SISTEMA PROPUESTO.
DESCRIPCIÓN
COSTO
Sistema actual
$ 269,29
Sistema propuesto
$ 117,60
Fuente: Investigación de campo.
Elaborado por el Autor.
Si analizamos desde otra perspectiva de ahorro se puede indicar
que el costo de generar 1KWh con el método propuesto es de $0,044
siendo más económico en un 44,79%
CUADRO N°15
RELACIÓN ENTRE EL COSTO KWH, DEL SISTEMA
ACTUAL Y DEL SISTEMA PROPUESTO.
DESCRIPCIÓN
COSTO KWH
Sistema actual
$ 0,0975
Sistema propuesto
$ 0,0437
Relación porcentaje
44.79 %
Fuente: Investigación de campo.
Elaborado por el Autor.
Planteamiento de alternativas, solución y evaluación 68
Mientras tanto el beneficio de utilizar el sistema de generación de
energía mediante el principio de la hidrodinámica en la sociedad puede
llegar a convertirse de suma importancia, demos paso al futuro y
preguntarse por qué no utilizar dínamos y UPS para almacenar energía en
los
grandes
ductos
que
traspasan
por
las
grandes
ciudades,
desplazándose por ellos fluidos con grandes caudales y presiones,
sustentando
su
uso
en
el
mismo
alumbrado
público.
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Aleaciones.- Mezcla de varios componentes químicos metálicos
que forman un solo conjunto o masa.
Alumbrado.- Red de conexiones de bobillos dispuestos en las
calles con el objetivo de alumbrar.
Conflicto.- Confrontación que se torna entre intereses opuestos o
que difieren de propuestas o soluciones.
Cuenca hidrográfica.- Territorio formado de manera natural por el
cual traslada agua hacia el mar definidas especialmente por cumbres o
limitaciones geográficas.
Energía renovable.- Energía que se obtiene de manera natural,
por medio de fuentes inagotables existentes en el planeta.
Escorrentía.- Lámina de agua que pasa por una cuenca de
drenaje, el término es utilizado comúnmente en geología.
Fuerza motriz.- Fuerza capaz de dar movimiento a objeto, eje o
masa alguna con el objetivo de realizar algún trabajo.
Hidrodinámica.- Parte de la mecánica de fluidos que estudia la
interacción del movimiento de los fluidos y que considera de manera en
especial los factores de presión, velocidad y viscosidad.
Inercia.- Propiedad que poseen todos los cuerpos de permanecer
en estado de reposo mientras la fuerza sea cero.
Glosario de términos 70
Recurso.- fuente del cual se tiene beneficio para el bien común o
propio.
Red infrarrojo.- Radiación térmica electromagnética que posee
una longitud de onda mayor que la luz, mas sin embargo de menor
proporción que las microondas.
.
ANEXOS
Anexos 72
ANEXO # 1
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS.
Fuente: Robert L. Mott.
Mecánica de fluidos, Sexta edición.2006
Anexos 73
ANEXO # 2
MAGNITUDES COMUNES DE LAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.
Fuente: Christian Flores y Alex Miranda.
Sistema de automatización para el cálculo de
pérdidas Longitudinales en tuberías de agua potable
Anexos 74
ANEXO # 3
TABLA DE NÚMERO DE REYNOLDS.
Fuente: Robert L. Mott.
Mecánica de fluidos, Sexta edición.2006
Anexos 75
ANEXO # 4
PÉRDIDA DE ENERGÍA EN EL SISTEMA.
Fuente: Robert L. Mott.
Mecánica de fluidos, Sexta edición.2006
Anexos 76
ANEXO # 5
ESTABLECIMIENTOS ECONÓMICOS SECTORIZADOS.
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1.73. Guayas: Establecimientos económicos censados por sector de Manufactura, Comercio, Servicios y Otros (Agricultura, Minería,
Actividades de organizaciones extraterritoriales), según cantones, 2009
PROVINCIA DEL GUAYAS
TOTAL PROVINCIA
Guayaquil
Alfredo Baquerizo Moreno (Jujan)
Balao
Balzar
Colimes
Daule
Durán
El Empalme
El Triunfo
Milagro
Naranjal
Naranjito
Palestina
Pedro Carbo
Samborondón
Santa Lucía
Salitre (Urbina Jado)
San Jacinto De Yaguachi
Playas
Simón Bolívar
Coronel Marcelino Maridueña
Lomas De Sargentillo
Nobol
General Antonio Elizalde (Bucay)
Isidro Ayora
ESTABLECIMIENTOS ECONOMICOS CENSADOS POR SECTOR
TOTAL
Manufactura
Comercio
Servicios
Otros
Absoluto
Absoluto
Absoluto
Absoluto
Absoluto
117.447
9.350
67.565
40.323
209
87.206
408
340
1.180
321
2.155
6.874
1.495
1.459
4.954
1.468
1.073
420
1.088
1.466
480
551
988
1.484
165
317
522
416
431
186
6.991
25
20
115
32
155
603
140
111
387
115
78
31
60
80
36
47
62
100
9
31
59
21
28
14
50.083
210
207
729
172
1.245
4.067
895
859
2.859
824
662
277
696
798
269
316
561
745
94
142
272
239
241
103
30.003
173
112
335
115
753
2.197
457
484
1.706
507
332
112
330
570
175
183
365
637
60
143
189
155
161
69
129
0
1
1
2
2
7
3
5
2
22
1
0
2
18
0
5
0
2
2
1
2
1
1
0
Fuente: Censo Nacional Económico 2010
Instituto Nacional de Estadística y Censos
Elaborado por: Censo Nacional Económico 2010 - Unidad de Procesamiento de la Subdirección General del INEC
Anexos 77
ANEXO # 6
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Y TÉRMICAS DEL SNI.
Fuente: Concejo Nacional de Electricidad.
Estadística del sector eléctrico ecuatoriano.
Anexos 78
ANEXO # 7
FORMULARIO PARA LA OBTENCIÒN DE DATOS PRIMARIOS
(ENCUESTA)
Fuente: Elaborado por el autor.
Anexos 79
ANEXO # 8
PROFORMA DE GRIFOS DE COMPUERTA
Fuente: Ferroonline.com
Anexos 80
ANEXO # 9
PROFORMA DE CAPACITOR
Fuente: Mercadolibre.com
Anexos 81
ANEXO # 10
PROFORMA DE UPS
Fuente: Mercadolibre.com
Anexos 82
ANEXO # 11
DIAGRAMA DE MOODY
Fuente: Moody Ferry
Anexos 83
ANEXO # 12
INFORME DE AUDITORÍA A INTERAGUA EN LAS
ESTACIONES DE BOMBEO
Fuente: Interagua.
Anexos 84
ANEXO # 13
INFORME DE AUDITORÍA A INTERAGUA POR LAS PRESIONES DE
SERVICIO EN LA CIUDAD DE GUAYAQUIL
Fuente: Interagua.
BIBLIOGRAFÍA
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