Universidad Universidad Distrital Francisco José de caldas Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales Ingeniería Ambiental Fisicoquímica de Fluidos Generacin de !nergía con el Uso de la "urbina Francis Mario Ricardo rosales #$%&%%'$$((( )u* Adriana leal Gutiérre* #$%&%%'$$&& Gru+o, -&%
IN"R.DU//I0N Una turbina es un motor rotativo que convierte en energía mec1nica la energía de una corriente de agua2 va+or de agua o gas3 !l elemento b1sico de la turbina es la rueda o rotor2 que cuenta con +alas2 4élices2 cuc4illas o cubos colocados alrededor alrededor de su circun5erencia2 circun5erencia2 de tal 5orma que el 5luido en movimiento +roduce una 5uer*a tangencial que im+ulsa la rueda y la 4ace girar3 !sta energía mec1nica se trans5iere a través de un e6e +ara +ro+orcionar el movimiento de una m1quina2 un com+resor2 un generador eléctrico o una 4élice3 !sta energía se +uede calcular si se conoce el 5luido que im+ulsa la turbina la +otencia que necesita y la +otencia que se le suministra2 adem1s que en nuestro caso +articular estas indicaciones las traía inscritas como toda turbina3
.7J!"I8.9 G!N!RA), Anali*ar la variacin variacin de la e5iciencia e5iciencia de una una turbina Francis2 Francis2 debido a la variacin variacin de +roduccin de volta6e !9:!/;FI/., Anali*ar el cambio cambio de las variables variables
Marco terico Una turbina es una m1quina motri* que consiste de una +arte giratoria llamada rodete2 que se im+ulsa +or un 5luido en movimiento3 De+endiendo de la naturale*a de este 5luido2 las turbinas se +ueden dividir en, 4idr1ulicas2 a va+or y a gas3 )a 5uncin de una +lanta 4idroeléctrica es utili*ar la energía +otencial del agua almacenada en un lago2 a una elevacin m1s alta alta y convertirla2 +rimero +rimero en energía mec1nica mec1nica y luego en eléctrica3 eléctrica3 !ste +roceso toma en consideracin varios 5actores entre los cuales uno de los m1s im+ortantes es la caída de agua <4ead=3 <4ead=3 !ste 5actor 5actor es decisivo decisivo al momento de escoger escoger el ti+o de turbina 4idr1ulica que se instala en la +lanta3
=
Una caída alta
escoge una turbina de reaccin ti+o Francis3 :ara caídas ba6as = N@M!R. !9:!/;FI/. D! R!8.)U/I.N!9 Un elemento im+rescindible +ara +royectar instalaciones 4idr1ulicas2 es el nmero de revoluciones llamado es+ecí5ico2 +ues da indicaciones +recisas que +ermiten determinar las turbinas m1s adecuadas +ara un salto de altura y caudal conocidos3 Adem1s todos los ti+os de turbinas se dividen segn su nmero es+ecí5ico de revoluciones y ello constituye la base +ara establecer series de rodetes y cat1logos con todas las características que interesan en la construccin de las turbinas3 )a relacin de nmero es+ecí5ico de revoluciones se eB+resa a través de la siguiente 5ormula,
Donde, nCvelocidad de la turbina en r+m +C+otencia de la turbina en /8 4Caltura del salto en metros !n el caso +articular de las turbinas Francis2 se utili*an en las condiciones m1s diversas2 +ara desniveles +equeos y medianos 4asta 4C%-$m y m1s y +ara toda clase de caudales an los mayores3 9e construyen turbinas Francis con rodetes de marc4a lenta2 normales2 r1+idos y ultrarr1+idos2 di5erenci1ndose uno de otros +or la 5orma de la rueda y de las +aletas3 I9AG!N2 #$%>E /)A9IFI/A/I0N D! )A9 "UR7INA9 IDRU)I/A9 %3H De acuerdo al modo de obrar del agua3 A= De accin o de c4orro= De reaccin o de sobre+resin3 /ARA/"!R;9"I/A9, "urbina de Reaccin3
#3H De acuerdo a la direccin con que ingresa el agua3 A= Radiales= ABiales /= "angenciales3 (3H De acuerdo al grado de admisin A= De admisin "otal= De admisin +arcial &3H De acuerdo a la +osicin del e6e de la turbina3 A= De e6e vertical= De e6e 4ori*ontal M1laga 52 #$$=
R!9U)"AD.9 de 5renado
8elocidad
!nergía
8olta6e <8oltios=
$ %$ #$ ($ &$ -$ >$ $ '$ $
((&> (($ (#&' (%(> # #'$' #># #(## %'$ %('%
%'2'% %'2# % %2$' %2% %2# %2&% %2>% %2#$2$-
($2% #2& #'2#2( #-2 #(2> #%2> %'2& %(2 '
GRFI/A9
/orriente 2-% 2$ HH
:otencia <atts= $2%$( $2%$ $2%%& $2%% $2%#$2%#$2%#$2%# $2% HH
%De Frenado VS Velocidad 4000 3500 3000 2500 velocidad (rev/min)
2000 1500 1000 500 0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % de frenado
:odemos observar que el +orcenta6e de 5renado es inversamente +ro+orcional a la velocidad2 ya que a medida que se aumenta el 5renado la velocidad est1 disminuyendo2
% De Frenado VS !ner"ia 205 20 195 !ner"ia #$m
19 185 18
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% de frenado
9i él de 5renado aumenta consigo asciende el valor de la energía2 +odemos determinar que son directamente +ro+orcionales
% De Frenado VS orrien&e 8 7 6 5 'merae
4 3 2 1 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
% de frenado
!l de 5renado y corriente son directamente +ro+orcionales +or eso se +uede notar que el am+era6e am+era6e aumenta con el de 5renado
% Frenado v* +o&encia 014 012 01 008 Vol&ae
006 004 002 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
% de frenado
!l de 5renado +ermite el aumento 4asta cierto +unto del de la +otencia2 si el valor del +orcenta6e de 5renado sigue aumentando en un +unto dado la +otencia +ermanecer1 latente y des+ués se ver1 reducida
% De Frenado VS Vol&ae 35 30 25 20 Vol&ae
15 10 5 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% de frenado
!l de 5renado y volta6e son inversamente +ro+orcionales es decir que si aumentamos el de 5renado el volta6e se ver1 reducido
Velocidad VS +o&encia 014 012 01 008
,+o&encia 006 004 002 0 16001800200022002400260028003000320034003600
Velocidad
)a velocidad y la +otencia tiene una cncava 4acia aba6o el de 5renado tiene un +unto m1Bimo en los resultados de la +otencia +ero esta em+ie*a a de5ender con el aumento del de 5renado
Velocidad VS !ner"ia 205 20 195
!ner"ia
19 185 18 1000
1500
2000
2500
3000
3500
Velocidad
)a velocidad y la energía son inversamente +ro+orcionales debía a que si la velocidad aumenta la energía de la turbina se va reduciendo3
Adem1s2 es necesario tener en cuenta que las m1quinas no tienen un a+rovec4amiento total2 +or ello2 no +ueden rendir toda la +otencia que reciben2 siem+re van a tener +érdidas de +otencia +or diversos as+ectos2 como sobrecalentamiento o a causa del ro*amiento3 !s aquí que a+arece el término de eficiencia2 que nos indica qué +orcenta6e de la +otencia que se le entrega a una m1quina2 es realmente utili*ada3 :ara obtener la e5iciencia de la turbina2 se necesit de datos como la +otencia nominal o ideal2 la cual est1 dada +or la turbina <% orse+oOer C $2&-%#%--% ?atts= y la +otencia recolectada en cada medida con el de 5renado dad en ?atts2 y con estos se reali* el siguiente c1lculo +ara todos los casos y así obtener la gr15ica,
Hay tres potencias que pueden ser usadas por una turbina; la potencia nominal, la cual es garantizada por el fabricante, la potencia máxima, la cual usualmente puede ser un poco más que la potencia nominal que y la potencia normal la cual es la que se garantiza a la máxima eficiencia la que en nuestro caso tomamos como la potencia en el 50% de frenado
!l +orcenta6e de e5iciencia de la turbina Francis +resente en el laboratorio es de %>3> lo cual es una e5iciencia ba6a2 esto se +udo dar +osiblemente a que la turbina +resente en laboratorio es un +rototi+oP aunque entre los di5erentes ti+os de turbinas la turbina Francis tiene una +otencia m1Bima su+erior2 +ero una +obre e5iciencia carga +arcial en com+aracin con otro ti+o de turbinas como la ?a+lan2 las turbinas Francis em+leadas en centrales 4idroeléctricas tienen un alta e5iciencia Actualmente en /olombia la mayor +arte de su +roduccin de energía se centra en 4idroeléctricas2 +or lo cual se requiere que las mismas +osean sistemas ca+aces de a+rovec4ar la energía mec1nica del agua y ser ca+aces de trans5ormarla en energía eléctrica +ara su a+rovec4amiento en su uso cotidiano3 9e +udo evidenciar las relaciones directas e inversas entre el 5renado2 la velocidad2 la energía2 el volta6e2 am+era6e y +otencia eléctrica3 !l de 5renado +uede aumentar la +otencia 4asta cierto +unto ya que des+ués esta no varía su valor y des+ués em+ie*a a de5ender la +otencia obtenida +or l a turbina2 llega a un +ico m1Bimo de +otencia lo cual a su ve* im+lica una reduccin en la velocidad y aumento en las gr15icas de energía y am+era6e3 segn suescunI2 #$%$ !n la turbina
Francis es conocido que a veces la obtencin de +otencia es m1s im+ortante que una ra*onable +érdida en la e5iciencia2 no obstante cuando se reali*a el diseo siem+re se trata de tener en cuenta las recomendaciones eBistentes +ara que las +érdidas que ocurran dentro de la turbina sean minimi*adas3
/onclusiones !s conocido que a veces la obtencin de +otencia es m1s im+ortante que una ra*onable +érdida en la e5iciencia2 no obstante cuando se reali*a el diseo siem+re se trata de tener en cuenta las recomendaciones eBistentes +ara que las +érdidas que ocurran dentro de la turbina sean minimi*adas y así aumentar la e5iciencia de la turbina3 •
7ibliogra5ía Q = 4tt+s,KKOOO3isagen3com3coKcomunicadosKMomentodeenergia3+d5 Q 4tt+,KKOOO3ingenieria3unam3mBKSde+to4idraulicaK+ublicacionesK+d5+ublicacio nesK9!)!/yDIM!N9I.NAMI!N".de"UR7INA93+d5 Q +ago -#2 '# +elton MA)AGA F #$$ FA/U)"AD D! ING!NI!RIA M!/ANI/A UNI
9uescun i2 #$%$ centrales 4idroeléctricas 4tt+,KK6aibana3udea3edu3coKgru+osKcentralesK5ilesKca+itulo#$&3+d5