tesis final - Universidad Tecnológica de Pereira

DISEÑO DE UN MÓDULO INTERACTIVO DE GENERACIÓN HIDRÁULICA DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
MARCELO BETANCOURT JURADO
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
PEREIRA
2007
1
DISEÑO DE UN MÓDULO INTERACTIVO DE GENERACIÓN HIDRÁULICA 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
2
Nota de aceptación
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
Gabriel Calle Trujillo
Decano Facultad de Ingeniería Mecánica
_________________________________
Juan Fernando López López
Director de proyecto
_________________________________
Edison Henao
Jurado Calificador
Pereira, febrero 8 de 2007
3
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
8
1.PRINCIPIOS FÍSICOS Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
10
1.1 TURBINA PELTON
20
1.1.1 Cazoletas o cucharas
20
1.1.2 El rodete
22
1.2 EL ALTERNADOR
22
1.3 BOMBA CENTRÍFUGA
23
1.4 VARIADOR DE FRECUENCIA
25
1.5 ACCESORIOS DE TUBERÍA
25
1.5.1 Tubería de presión
25
1.5.2 Válvula de compuerta
27
1.6 EJE
28
1.7 COJINETES Y RODAMIENTOS
29
1.8 TRANSMISIÓN POR CORREAS
30
2. DISEÑO CONCEPTUAL Y MECÁNICO DEL MÓDULO
33
2.1 DISEÑO CONCEPTUAL
36
2.2 DISEÑO MECÁNICO
37
2.2.1 Turbina pelton
37
2.2.2 Tobera
41
1
2.2.3 Alternador
42
2.2.4 Barra de leds
43
2.2.5 Polea y correa
44
2.2.6 Eje
50
2.2.7 Unidad de rodamientos
56
2.2.8 Válvula
57
2.2.9 Estructura
57
2.2.10 Tubería PVC
61
2.2.11 Bomba centrífuga
62
2.2.12 Sistemas de protección
72
2.2.13 Materiales
72
3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
75
BIBLIOGRAFÍA
77
ANEXOS
79
2
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Diferentes dimensiones de turbina que resultan al variar el
diámetro del orificio.
38
Tabla 2. Valores del coeficiente de fricción f entre la polea y la correa
48
Tabla 3. Cálculo del ángulo de polea menor
49
Tabla 4. Relación F1/F2
49
Tabla 5. Coeficiente concentrador de esfuerzos
51
Tabla 6. Coeficiente de confiabilidad {K c }
52
Tabla 7. Coeficiente de temperatura
52
Tabla 8. Selección de unidad de rodamientos
57
Tabla 9. Propiedad de los materiales
58
Tabla 10. Criterios de fallo de cosmos/works
59
Tabla 11. Longitud de los tramos de tubería
68
Tabla 12. Coeficiente K para reducciones de diámetro en tubería
69
Tabla 13. Valores de K para accesorios en la succión
69
Tabla 14. Valores de K para accesorios en la descarga
69
Tabla 15. Valores de la curva del sistema y la bomba
70
Tabla 16. Materiales de construcción
73
3
LISTA DE FIGURAS
Pág.
11
Figura 1. Energía hidráulica
Figura 2. Energía mareomotriz
13
Figura 3. Energía de las olas
14
Figura 4. Turbina de reacción
16
Figura 5. Turbina de acción
17
Figura 6. Turbina pelton
20
Figura 7.
Forma de las cucharas o cazoletas
21
Figura 8.
Partes de un alternador
22
Figura 9.
Bomba centrífuga
24
Figura 10.
Tubería
27
Figura 11. Válvula de compuerta
28
Figura 12. Soporte y rodamiento
30
Figura 13. Conjunto de polea y correa
32
Figura 14. Diseño previo 1
33
Figura 15. Diseño previo 2
34
Figura 16. Diseño final
35
Figura 17. Dimensiones de la cuchara
39
Figura 18. Fuerzas en la cuchara
40
Figura 19. Tobera
41
Figura 20. Transformador de 120:12v
43
Figura 21. Circuito integrado de leds
44
4
Figura 22. Diseño de correa
45
Figura 23. Tipo de correa (perfil)
46
Figura 24. Selección de correa
47
Figura 25. Fuerzas actuantes en el eje
50
Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del eje 1, planos (XY-XZ)
51
Figura 27. Diagrama de cuerpo libre del eje 2, planos (XY-XZ)
53
Figura 28. Diagrama de cuerpo libre del eje 3, planos (XY-XZ)
54
Figura 29. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad del cubículo
60
Figura 30. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad de tapa
cubículo
61
Figura 31. Operación del sistema de bombeo
71
5
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A. Esfuerzo a fatiga (S`n) del acero inoxidable tipo 304, Esfuerzo
de fluencia del acero inoxidable.
79
ANEXO B. Factor de acabado superficial.
80
ANEXO C. Curva característica de la bomba centrífuga.
81
ANEXO D. Propiedades de la resina de polyester reforzada con fibra de
vidrio.
82
ANEXO E. Plano de despiece 01
85
Plano de despiece 02
86
Plano de conjunto 03
87
Plano de conjunto con lista de materiales 04
88
6
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.
7
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
8
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.
9
1. PRINCIPIOS FÍSICOS Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
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.
10
•
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]
11
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.
12
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
13
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
14
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].
15
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
16
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
17
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
Turbinas Francis
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
18
Menor peso
Mayor rendimiento máximo
Aprovechan mayor desnivel,
debido al tubo de aspiración
Alternador más económico
Dimensiones en planta de la
central más reducidas
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
barato.
más
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.
19
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,
20
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
21
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
22
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
23
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]
24
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.
25
•
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].
26
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.
27
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].
28
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
29
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.
30
•
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
31
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
32
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
33
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
34
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
35
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.
36
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:
N=
U
(2.1)
π *D
37
•
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.
1
2
3
4
5
6
7
Diámetro
Tobera
mm
10
12
14
15
16
18
20
Velocidad
del chorro
m/s
63,50
44,12
32,41
28,23
24,80
19,60
15,80
Diámetro
turbina
mm
120
144
168
180
192
216
240
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
ϕ = 20
β =8
Las convenciones se pueden ver en la siguiente figura.
38
N
RPM
4145
2399
1510
1228
1012
710
518
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:
WU 2 / gr
(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
39
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= Q * Vr
(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
40
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
41
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.
42
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.
43
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:
R2
(2.4)
Vref = 1.25(1 +
) + 80 x10− 6 R 2
R1
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.
44
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.
45
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.
L = 2C +
π
2
( D1 + D 2) +
( D 2 − D1)2
(2.5)
4C
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”
46
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
C=
4 L − 2π ( D1 + D 2) +
C=11,9777” ≅ 12”
[4 L − 2π ( D1 + D2)]2 − 32( D 2 − D1)2
16
Ángulo de contacto
El ángulo de contacto de la polea menor es
47
(2.6)
θ1 = 2 cos −1 (
D 2 − D1
) (2.7)
2C
θ1 = 177,61º
Fuerzas en el lado flojo y tenso y fuerza sobre el árbol
Fórmula de Euler
F1
= e fθ (2.8)
F2
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
f '=
f
sen(α / 2)
≅ 3 f = 0,66
(2.9)
Tabla 2. Valores del coeficiente de fricción f entre la correa y la polea
Material
de la
correa
Cuero
curtido
en roble
Cuero
curtido
con
minerales
Lona
Balata
Tejido de
algodón
Caucho
CauchoLona
Acero
con
aceite
0,12
Acero
con
grasa
0,15
0,20
Material de la polea
Acero
Hierro
húmedo
acero
madera
papel
0,20
0,25
0,30
0,35
0,25
0,35
0,40
0,45
0,50
0,10
0,10
0,12
0,12
0,15
0,20
0,15
0,20
0,32
0,22
0,23
0,35
0,25
0,25
0,80
0,28
-
-
0,18
0,2
0,30
0,35
0,32
0,38
0,35
0,4
48
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.
F1
= e0.66*1 = 1.935 (2.10)
F2
Tabla 3. Cálculo del ángulo de polea menor
Tipo de correa
A
Rango diámetro
Hasta 3”
A
0,4375
α
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 θ = 177.61º , F1/F2=5
Tabla 4. Relación F1/F2
Ángulo de
contacto
180
175
170
165
160
155
F1/F2
5,0
4,78
4,57
4,37
4,18
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
V2 =
πD2 n2
= 3,4m / seg
60 * 1000
P * 75
F=
= 22,67 kgf
V2
F1/F2=5
y
F=F1-F2
(2.11)
(2.12)
(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.
49
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.
50
Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del eje 1, planos (XY-XZ)
Análisis por fatiga según método ASME

 32 N
d =
 π


 
 K f M  + 3  T 
KS ' n  4  S y 


2
2




1
2





1
3
(2.15)
K f = 1,6 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
Perfil
FLEXION
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
K c = 0,814 Confiabilidad del 99%
51
Tabla 6. Coeficiente de confiabilidad {Kc}
Confiabilidad
50%
90%
99%
99.9%
99.99%
99.999
Kc
1
0,897
0,814
0,759
0,702
0,655
K d = K e = 1 Coeficiente de temperatura, tamaño y efectos varios
Tabla 7. Coeficiente de Temperatura
Kd=1
Kd=1 - 0,0058 (T - 450)
Kd=1 - 0,0032 (T - 840)
T < 450 ºC (840 F)
450 ºC < T < 550ºC
840 F < T < 1020 F
K = K a * K b * K c * K d * K e = 0,644
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).
52
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:

 32 N
d =
 π

2

 
 K f M  + 3  T 
KS ' n  4  S y 


2




1
2





1
3
La polea está fija al eje mediante un chavetero de perfil
K f =1,6
Utilizando las tablas de los coeficientes obtenemos:
K a =0,89 Coeficiente de acabado de superficie (ver anexo B);
53
Kb = 1,189*de-0,097 = 0,889 Coeficiente de tamaño para flexión;
K c = 0,814 Confiabilidad del 99%
K d = K e = 1 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:
M 
 32 N
d =
*Kf

KS ' n 
 π
1/ 3
(2.16)
En el apoyo no existe concentrador de esfuerzos, contrario a los casos anteriores.
K f =1
54
De igual forma calculamos los coeficientes y obtenemos:
K a =0,89 Coeficiente de acabado de superficie (ver anexo B);
Kb = 1,189*de-0,097 = 0,889 Coeficiente de tamaño para flexión;
K c = 0,814 Confiabilidad del 99%
K d = K e = 1 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.
55
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 funcionamiento 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
56
•
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.
Carga
Diámetro estática
mm
C
kN
20
12,7
Velocidad Masa
límite
kg
RPM
5000
0,24
Designación Soporte
unidad de
rodamiento
SYK20TR
SYK20
Rodamiento
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.
57
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
Carcaza
Represa
Represa posterior
Turbina pelton
Alternador
Eje
Unidad de rodamiento
Tapa cubículo
Densidad (gr/cm 3 )
1,19
1,19
1,19
7,93
1,07
Peso en gramos
1276
5863,98
3268,84
2380
3500
1476,7
240
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.
58
Tabla 10. Criterios de fallo de cosmos/works.
Teoría de máxima tensión von
Mises
σ vonmises
σ lim ite
Teoría de la máxima tensión de
cortadura (Teoría de tresca)
τ max
0,5σ lim ite
σ1
Teoría de Mohr Coulomb
σ tension
+
<1
σ2
σ compresion
σ1
Teoría de máxima tensión
normal
<1
σ lim ite
<1
<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.
59
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
60
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.
61
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].
62
•
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,
63
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.
64
•
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.
65
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:
Pb = Pb e
−
yg
RT
(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.
66
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:
P1
γ
+
V12
P V2
+ Z 1 = 2 + 2 + Z 2 − H bomba + H pèrdidas (2.18)
2g
γ
2g
totales
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:
H sistema = Z 2 − Z 1
(V
+
− V1
2g
2
2
2
)+ H
pérdida
totales
(2.19)
Donde las pérdidas totales:
H pérdidas = H pérdidas + H pérdidas (2.20)
totales
mayores
menores
Las pérdidas mayores, se expresan:
H pérdidas = h f = f
mayores
L V2
D 2g
(2.21)
Con ayuda de la ecuación de Swamee se puede expresar el factor de fricción en
función del caudal:
67
f =
f =
1.325
2

 Ln

5.74  
 ε
 3.7D + Re 0.9  

1.325


 Ln





5.74
 ε +
0.9
 3.7D
 4Q 

 πDυ 






 
2
(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:
hf =
1.325
*
2
L 16Q2
*
D 2π 2 gD4
 

 

Ln ε + 5.74 
  3.7D  4Q 0.9 
 
πDυ  
 

 
0.10948
LQ2
hf =
*
2
D5
 

 
−6 
Ln ε + 4.94 
  3.7D  Q 0.9 
 
 D  
 
  
(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
Rugosidad
interno
Material
(metros)
(pulgadas)
Succión
0,35
1 1/2
1,81
PVC
1,3x10-5
Descarga
0,935
1 1/2
1,81
PVC
1,3x10-5
68
Las pérdidas menores se expresan:
16 Q 2
V2
H pérdidas = h L = k
=k
(2.24)
2g
2 gπ 2 D 4
menores
h L = 0 . 082627 k
Q2
D4
(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
k
0
0,5
0,2
0,45
0,4
0,36
0,6
0,20
0,8
0,07
1,0
0
Fuente: NTP 362
Tabla 13. Valores de k para accesorios en la succión
Accesorio
Codo 90º Radio corto
Cantidad de
accesorio
1
Diámetro
(pulgadas)
1 1/2
K
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
Codo 90º Radio corto
Tobera
Válvula de compuerta
Cantidad de
accesorio
2
1
1
Diámetro
(pulgadas)
1 1/2
A2/A1=0,4
abierta
K
0,9
0,36
0,19
A continuación, tabulamos la curva del sistema que está expresado en función del
caudal, hallado con las ecuaciones anteriores
69
Tabla 15. Valores de la curva del sistema y la bomba
Valores de la curva del sistema
Q(G.P.M)
3,96
7,92
11,88
15,85
19,81
23,77
27,73
31,70
35,66
39,62
43,58
47,55
51,51
55,47
59,43
63,40
67,36
71,32
75,28
79,25
Valores de la curva
característica bomba
Q(gpm)
H(pies)
3,01
3,76
4,89
6,39
8,26
10,49
13,10
16,08
19,42
23,14
27,22
31,67
36,50
41,69
47,25
53,18
59,48
66,15
73,19
80,59
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
H(pies)
86
85
84
83
82
81
79,7
78
76
74,2
72,2
70,5
68
65,4
62
58,6
55
50,5
46
40,3
36
32
Para graficar la curva de la bomba centrífuga autocebante seleccionada se tabuló
los datos de la misma curva característica.
70
Figura 31. Operación del sistema de bombeo
OPERACIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO
100
SISTEMA
90
BOMBA
CABEZA (PIES)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
CAUDAL (G.P.M.)
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
71
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.
72
Tabla 16. Materiales de construcción
PIEZAS
CANTIDAD
DESCRIPCIÓN
VALOR
UNITARIO EN
PESOS
802 600
VALOR
TOTAL EN
PESOS
802 600
Bomba
centrífuga
1
Represa en
Acrílico
Depósito de
Fibra de Vidrio
Eje
Turbina Pelton
Unidad de
Rodamientos
Tubería PVC
Alternador
1
Modelo 5CCE
Autocebante, 3
Fases
Espesor de 4
mm
Construir con
rodachín
TIPO 304
Aluminio
SYK20TR
390 000
390 000
1 100 000
1 100 000
115 000
250 000
50 000
150 000
250 000
100 000
30 000
130.000
30 000
130 000
2
RDE21
1450 RPM
40 Amp
12Voltios
RDE21
Accesorios de
tubería
Tobera
Chaveta
Prisionero
Válvula de
Compuerta
Carcaza
turbina en
acrílico
Variador de
frecuencia
Conjunto de
polea y correa
3 000
6 000
1
2
2
1
Bronce
Acero
M5X20
Redwhite
1
5000
200
78 000
40 000
10 000
400
78 000
1
Espesor de 4
mm
35 000
35 000
1
Danfos
2 185 000
2 185 000
1
Acero
30 000
30 000
1
1
1
2
1
1
Total en pesos
73
5 337 000
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.
74
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.
75
•
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.
76
BIBLIOGRAFIA
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[2]
COMISIÓN
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www.conae.gob.mx,
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[13] ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA EDUCACION, LA
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[17] SKF. Catálogo de rodamientos
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[19] UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA. Conferencias de máquinas
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[20] VÉLEZ URIBE, Germán, Diseño y construcción de un módulo didáctico de
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[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
78
ANEXO A
Esfuerzo a fatiga (S`n) del acero inoxidable tipo 304
Esfuerzo de fluencia del acero inoxidable
79
ANEXO B
80
ANEXO C
81
ANEXO D
82