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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE TESIS
DISENO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MICROCENTRAL HIDROELÉCTRICA HIDROELÉCTRICA CON CAPACIDAD HASTA 600 WATTS PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS ” “
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE: INGENIERO MECÁNICO
ROCANO QUIÑONES JULIO ENRIQUE RUESTA PASTOR ANDRÉ RAFAEL MARQUINA SILVA RENZO MARTIN NAVIA CUBA MARIO ELIAS Callao, noviembre, 2014 1
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DEDICATORIA
Dedicamos este trabajo ante todo a Dios, a nuestros padres por todo el apoyo que nos brindan, a nuestros maestros y a nuestra casa de estudios, la Universidad Nacional Del Callao.
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INDICE RESUMEN……………………………………………………………………………..….5 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………..…..6 CAPÍTULO I 1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN……………………………………….7 1.1 Identificación del Problema …………………………………………………….7 1.2 Formulación del Problema……………………………………………………..7 1.2.1 Problema General…………………………………………………………..7 1.2.2 Problema Específico………………………………………………………..7 1.3 Objetivos de la Investigación…………………………………………………..8 1.3.1 Objetivos Generales……………………………………………………….. 8 1.3.2 Objetivos Específicos……………………………………………………… 8 1.4 Justificación……………………………………………………………………...8 CAPÍTULO II 2. MARCOTEÓRICO………………… …………………………………………………10 2.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica……..…………… ……………..….10 2.2 El recurso hídrico y su potencial… ………………………………………….11 2.3 Estructuras hidráulica que conforman una Microcentral hidroeléctrica.. ...16 2.4 Equipo electromecánico utilizado en microcentrales hidroeléctricas……………………………………………..…………..……… .20 2.5 Sistemas de protección………………………………………………………..26 CAPÍTULO III 3. VARIABLES E HIPÓTESIS 3.1 Variables de la investigación….………………………………………………28 3.2 Definición de variables…………………………………………………………28 3.3 Operacionalización de variables..…………………………………………….29 3.4 Formulación de hipótesis………………......………………………………….29 3.4.1 Hipótesis general…….……………………………………………………..29 3.4.2 Hipótesis específicas.…………………………………………………….. 29 CAPÍTULO III 4. METODOLOGÍA 4.1 4.2 4.3 4.4
Tipo de Metodología………..….………………………………………………30 Diseño de la Metodología…..…………………………………………………30 Población y muestra……………..……………………………………………..31 Técnicas e Instrumentos de recolección de datos....……………………….31
ANEXOS 4
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Matriz de consistencia.
RESUMEN
La Micro central hidroeléctrica para el laboratorio de Mecánica de Fluidos se construye por la necesidad de implementar dicho laboratorio de la FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA de la UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO, mediante un análisis se determinó la necesidad de contar con éste equipo, siendo la turbina a utilizar una pelton siendo ésta el tipo de turbo máquina más eficiente, la misma que será accionada por una masa de agua preveniente de 2 bombas en paralelo propias del laboratorio, la masa de agua al pasar por el interior del rodete de la turbina pelton, la cual transforma la potencia mecánica de rotación mediante un eje que se acopla a un generador para que finalmente nos produzca la energía eléctrica. El presente trabajo permitirá reforzar conocimientos adquiridos teóricamente en en clases y permitirá aplicar en la práctica la generación de energía eléctrica.
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INTRODUCCIÓN El hombre ha ido buscando la manera de facilitar el proceso de su evolución. A medida que pasa el tiempo, inventa mecanismos cada vez más sofisticados para satisfacer sus necesidades primordiales y a la vez los perfecciona. La innovación es crucial para el desarrollo de un país, y el foco donde se debe desarrollar toda ésta creatividad está en las universidades, la supervivencia de la mismas estará en función a su capacidad de crear nuevas tecnologías las cuales tienen como objetivo principal mejorar la calidad de vida de las personas, gran responsabilidad tenemos los Ingenieros, en esta era de la globalización. En los países en desarrollo la necesidad y las posibilidades de las máquinas a nivel local van en aumento. A menudo más máquinas son necesarias, material y la mano de obra calificada, así como el personal técnico están disponibles, pero lo que falta es la información y el saber hacer. Una categoría de máquinas que se utilizan para aprovechar el agua, la energía y que puede ser producido localmente, son turbinas de agua. En algunos países existe una tradición establecida en la producción, la instalación y ejecución de pequeños molinos de agua. A menudo se trata de unidades con sencillo ruedas de eje vertical o son ruedas de agua grandes. Por ejemplo, un país con experiencia en las ruedas de agua de eje vertical es Nepal. En este país también hace disponible en la construcción de canales, estos canales se utilizan generalmente para irrigación. En Nepal, la construcción de equipos con turbinas de flujo cruzado, comenzó a extenderse. Por habían instalado 1.990 mamá de 600 molinos de agua, distribuidos en todo el país. Estas instalaciones funcionan con tipos diferentes de turbinas y fueron construidos a nivel local por más de diez manufactureras diferentes. Para la fabricación local, la turbina de flujo transversal es la modelo más simple. El rango de cabeza a menudo encaja bien con las condiciones locales. Información de este tipo de turbina se puede obtener de varias agencias, como el SKAT y GATE. A veces, para las turbinas de flujo cruzado, la cabeza es demasiado grande, mientras que la descarga es demasiado pequeño. En este caso la turbina pelton es más adecuado. Es la segunda turbina más fácil de fabricar a nivel local. Esta publicación proporciona la información necesaria para la fabricación local de turbinas pelton. El rango de aplicación de las turbinas pelton se describen aquí , no sea superior a 50 kW de potencia y , por tanto, se encuentra en el mini - micro - gama . La presente tesis se basa en la literatura especializada del manual que nos da los procedimientos para la construcción de la turbina pelton, así mismo en la experiencia práctica y teórica así como de las pruebas realizadas. Ha sido escrito principalmente para facilitar el diseño, fabricación e instalación de turbinas pelton. Toda la información ha sido intencionalmente mantenido simple, a fin de facilitar la producción con medios
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sencillos. Las fórmulas de la sección teórica se reducen a la mínima necesario y estos cálculos aproximados, en parte, que se propuso para el uso práctico . Sin embargo, todas las opciones se mantienen abiertas, mientras que deben considerarse las condiciones locales para la instalación. En este orden de idea se realizó un estudio y análisis de la necesidad de éste equipo para el laboratorio de la facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Callao, evidenciando que no había una turbina pelton que pueda servir como apoyo complementario en la formación de un Ingeniero Mecánica y un Ingeniero en Energía. La situación antes descrita, resalta la importancia de la investigación, la cual plantea el diseño y construcción de una microcentral hidroeléctrica así mismo de motivar a que más alumnos sigan desarrollando proyectos que contribuyan al desarrollo de la universidad y del país.
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CAPÍTULO I 1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1
IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
El Laboratorio de Mecánica de Fluidos tiene como misión brindar el soporte académico eficiente a sus usuarios, en éste caso los estudiantes de Ingeniería Mecánica y Energía, con el objetivo de mejorar sus servicios, se hace necesaria la continua actualización de los equipos e instrumentos para laboratorio que ayuden a la formación profesional de los estudiantes. Además cuenta con una infraestructura medianamente dotada, por ese motivo se vio la necesidad la construcción de una microcentral hidroeléctrica, la cual contribuirá de gran manera para las prácticas de laboratorio de los estudiantes. El proyecto desarrollado está orientado diseño y construcción de una microcentral hidroeléctrica para el taller, según las necesidades requeridas por los usuarios del laboratorio, por lo cual las prácticas y mantenimiento del mismo estará a cargo de quienes sean sus futuros administradores, sin embargo se realizarán algunas recomendaciones para su adecuado funcionamiento y evitar así posibles daños o problemas posteriores.
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FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.2.1 Problema General El laboratorio mecánica de fluidos, en la actualidad demanda un sin número equipos que ayuden a reforzar de una forma práctica los conocimientos adquiridos teóricamente por el estudiantes; uno de estos temas es la generación de energía.
1.2.2 Problema Específico La carencia de proyectos de investigación en área generación de Energía, éste proyecto permitirá a que más estudiantes desarrollen proyectos de investigación en ésta y otras área, así mismo conocer el diseño y construcción de una micro central hidroeléctrica.
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1.3
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1 OBJETIVOS GENERALES La obtención del título profesional de Ingeniero Mecánico, en el área de generación de energías renovables. Diseñar y construir una Micro central Hidroeléctrica para el Laboratorio de Mecánica de fluidos de la Facultad de Ingeniería Mecánica-Energía para un aprendizaje eficiente de los estudiantes el mismo que permitirá generar energía eléctrica, permitiendo al estudiante conocer físicamente el funcionamiento de la misma.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar ensayos que permita a los alumnos cuantificar, analizar y contrastar los valores teóricos con los experimentales, logrando así un adecuado aprendizaje y motivando a que se desarrollen más proyectos en la Universidad. Realizar las adecuadas pruebas de funcionamiento del equipo; con la finalidad de tener una correcta operación y por ende el aprendizaje en la utilización del mismo.
1.4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
La principal motivación para realizar éste proyecto es implementar el Laboratorio de Mecánica de Fluidos, que hoy en día no cuenta con un equipo suficiente y adecuado que garantice el aprendizaje práctico de los estudiantes; éste proyecto de investigación hace un mayor énfasis en el área de Generación de Energía Renovable
1.5
JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Éste proyecto toma su importancia para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos, ya que permite al estudiante reforzar conocimientos adquiridos teóricamente y permitirá aplicar en la práctica una de las formas de generación de energía más eficientes, dándoles una pauta para que en un futuro puedan construir diversos equipos que puedan resolver problemas y necesidades de la población.
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CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO 2.1
Desarrollo de la energía hidroeléctrica La utilización de la energía potencial del agua para generar electricidad se conoce como energía hidroeléctrica, este tipo de energía se caracteriza por ser un recurso renovable y autóctono. Una central hidroeléctrica es el conjunto de instalaciones e infraestructura construidas para generar. “En el año de 181 se construyó en Inglate rra, la primera planta hidroeléctrica. La producción de energía hidroeléctrica a gran escala empezó en 1895, cuando se construyó una represa de 3,75 MW (megawats o megavatios) en las cataratas del Niágara, Estados Unidos”. (BUN -CA, 202) Hoy en día los proyectos de energía renovable a pequeña escala ayudan a satisfacer muchas de las necesidades básicas del ser humano, como por ejemplo: educación, vivienda, salud, así como aspectos de producción en zonas alejadas de las grandes ciudades. Las plantas hidroeléctricas, son un ejemplo de este tipo de generación, como su nombre lo indica, generan electricidad utilzando como recurso la energía contenida en el agua, todo en un proceso de transformación, en donde primeramente se tiene energía potencial en un embalse o toma, luego energía cinética en las tuberías de condución, seguido de energía mecánica en la turbina, que acoplada a un generador finaliza el proceso con la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica. Este ciclo es un proceso de generación de energía que es limpio. Las pequeñas plantas hidroeléctricas son las que se encuentran en un rango de potencia menor a los 100 kW, estas plantas se pueden clasificar como pico-centrales (10W a 1 kW), micro-centrales (1 kW a 10 kW) y las mini- centrales que pueden legar a generar entre (10 kW y 100 kW). Una de las características principales de este tipo de plantas, es que la mayoría operan “a filo de agua”, o sea, sin ningún tipo de embalse, por lo que en muchas ocasiones se ven expuestas a las variaciones de caudal. Algunas otras ventajas de la construcción de pequeñas plantas hidroeléctricas que podemos mencionar son los bajos costos de generación y mantenimiento, impacto ambiental mínimo, además de las bajas pérdidas de energía en comparación con sistemas convencionales de generación, como por ejemplo los combustibles, además de ser un tipo de energía limpia como mencionamos anteriormente. Por otra parte, se tienen desventajas, como por ejemplo la dependencia de factores geográficos y meteorológicos.
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2.2
El recurso hídrico y su potencial Para generar energía hidroeléctrica se necesita, un determinado caudal y una caída. Se entiende por caudal el volumen de agua que pasa en un tiempo determinado por una sección del rio y se mide en m³/s o L/s (1 m³/s = 100 L/s). Cuando hablamos de caída, o salto bruto, nos referimos a la distancia medida en vertical que recorre el volumen de agua desde el punto de toma hasta el sito de restitución del agua. Existe otro término que se debe tener claro cuando nos referimos a proyectos de generación hidroeléctrica, este término es el de caída neta, el cual consiste en la medida vertical o diferencia de elevación existente entre el sito de toma y el punto de ubicación la turbina, tomando siempre en cuenta las pérdidas de carga en el sistema. Por tal motivo, para valorar el recurso hídrico y al mismo tiempo el desarrollo de un proyecto de este tipo se debe conocer: 1. La evolución del caudal a lo largo del año (un solo valor instantáneo del caudal no es significativo) 2. El salto o caída neta con que se cuenta.
Medición directa del caudal Si no existen datos hidrológicos del sito donde se ubicará el proyecto, y se dispone de tiempo, se pueden medir los caudales a lo largo de un periodo, ya que, una serie de medidas instantáneas no tienen ningún valor. A continuación se presentan algunas formas prácticas de medir caudales.
1. Medición del área y la velocidad. Un método convencional empleado consiste en medir en un punto dado la sección transversal del río, y seguidamente la velocidad media de la corriente de agua. Para realizar estas mediciones se debe seleccionar en lo posible un tramo recto del rio o quebrada, para que se facilite las mediciones, tanto del área como la velocidad, pues de esta forma el objeto que se utiliza puede desplazarse libremente sin verse afectado por otras corrientes o fuerzas en el rio.
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Cálculo del área de la sección transversal. Para calcular el área de la sección transversal del rio, se recomienda seleccionar una zona donde se pueda tomar con facilidad las diferentes mediciones de profundidad, y de esta forma descomponer esa sección en una serie de trapecios como muestra la siguiente figura, se debe realizar medidas de profundidad cada cierta distancia, pues esta área estará dada por una figura irregular que irá variando a lo largo de todo el recorrido.
Las mediciones de profundidad deben hacerse con ayuda de un instrumento o regla graduada, colocada en la forma que indica la figura 2. De esta forma el área de la sección del cauce se puede calcular con la siguiente ecuación:
Dónde: S= área ó sección transversal b= ancho del rio h= mediciones de profundidad del agua n= número de mediciones
Cálculo de la velocidad media del fluido Como la velocidad de la corriente varía, es necesario tomar mediciones en un determinado número de puntos para poder obtener la velocidad media. A continuación se describen algunas de las técnicas más utilizadas. Se coloca un objeto flotante no muy ligero (por ejemplo un trozo de madera o una botella medio vacía) en el centro de la corriente y se
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mide el tiempo t (en segundos) que necesita para recorrer una distancia L (en metros) previamente definida. La velocidad superficial (en m/s) se obtendrá al dividir la longitud del tramo entre el tiempo que tardó en desplazarse el objeto. Para estimar la velocidad media se debe multiplicar la velocidad superficial por un coeficiente que depende de la profundidad y de la rugosidad del fondo y paredes del cauce (0,75 es un valor aceptable). Otra forma de obtener este dato de velocidad será por medio de instrumentos diseñados y calibrados para este fin.
Por ejemplo: 1. Con un molinete mecánico 2. Con un molinete electromagnético 3. Con un molinete acústico 4. Con un molinete de efecto Dopler
2. Aforo por disolución La utilización de este método resulta idónea en los pequeños arroyos de montaña, donde debido a la rapidez de la corriente y a la escasa profundidad del cauce no se puede utilizar con éxito un molinete. Para calcular el caudal se inyecta en el curso del agua una solución de un producto químico, de concentración conocida y aguas abajo, a una distancia suficiente para que el producto se haya mezclado completamente se recogen muestras de agua. La solución puede inyectarse a un ritmo constante, durante un lapso de tiempo, o en una única dosis. Seguidamente las muestras del agua tomadas se analizan y se construye una curva concentración vs tiempo. Hasta hace unos años 13
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se utilizaban soluciones de sales de cromo y las muestras se analizaban por colorimetría, de esta forma el método es muy preciso, pero se requiere de equipo costoso y personal calificado para la interpretación de los datos. Actualmente se trabaja con soluciones de cloruro de sodio (sal), y las mediciones tomadas aguas abajo se analizan de acuerdo a la variación de la conductividad eléctrica del agua, ya que existe una relación lineal entre esta última y la concentración en sal, a diferencia del anterior, el equipo necesario para medir la conductividad en estos casos es poco costoso.
3. Mediante estructura hidráulicas Mé to d o d el v ert ed ero
Este método es recomendable utilizarlo encauces con caudales que no excedan los 4 m³/s. Un vertedero es una estructura temporal, y consiste en una pared dispuesta perpendicularmente a la corriente, con un corte de sección bien definida a través de la cual se puede hacer pasar el agua. Los vertederos se clasifican según la forma del corte: en V, rectangular ó trapezoidal. Con la ayuda de algunas pruebas de laboratorio se conocen los coeficientes de gasto de los distintos tipos de vertedero, con estos datos y con las medidas de la estructura, el siguiente paso consiste en medir el nivel h (altura de la columna de agua) y utilizar la correspondiente ecuación para el cálculo del caudal. La siguiente figura muestra las dimensiones de dos vertederos, el vertedero con corte rectangular y el de sección triangular respectivamente, además se detallan las fórmulas empleadas para calcular el caudal en función de h. Es importante mencionar que los vertederos triangulares resultan más precisos para caudales pequeños.
Donde: Q = Caudal (m³/s) L = Ancho del corte del vertedero (m) H = Altura o carga de la columna de agua (m)
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Donde: Q = Caudal (m³/s) H = Altura o carga de agua (m)
4. Mediante un recipiente con volumen conocido Este método es utilizado para medir caudales de hasta 20 ó 30 Litros/seg. aproximadamente. Instrumentos necesarios: 1. Recipiente con volumen conocido 2. Cronómetro de precisión Procedimiento Desviar el volumen de agua que se necesita medir hacia un recipiente grande de capacidad conocida y tomar el tiempo que tarda en llenarse.
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2.3
Estructuras hidráulica que conforman una Microcentral hidroeléctrica
En general las Microcentrales Hidroeléctricas se componen de obras civiles y equipos de generación, entre los que podemos citar: toma o captación de agua, desarenador, canal de conducción, cámara o tanque de carga, tubería de presión, casa de máquinas, canal de restitución, equipo electromecánico y redes eléctricas de transmisión y distribución. Sin embargo, en ciertos casos, se puede prescindir de alguno de estos elementos, todo depende de las condiciones topográficas que presenta el sito del proyecto, la capacidad de generación requerida y la aplicación o uso que se dará a la energía generada. En nuestro caso, como el proyecto consiste en un estudio preliminar, a continuación se detalla cada una de las estructuras y elementos mencionados anteriormente.
La toma o captación Es la estructura inicial y tal vez la más importante, mediante la cual se capta el volumen o caudal necesario para el funcionamiento de los equipos de transformación de la energía hidráulica en energía eléctrica, su diseño y construcción debe responder y garantizar las exigencias mínimas de generación. Se debe construir preferiblemente en la época seca, pero su diseño debe considerar la posibilidad de grandes aumentos del recurso hídrico durante todo el año.
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Obras de conducción Canal Es una estructura utilizada con el fin de conducir el agua desde la toma hasta la cámara o tanque de carga, para su diseño y construcción se debe considerar el mínimo desnivel posible para evitar que el fluido viaje a grandes velocidades y se generen grandes pérdidas. Puede ser un canal abierto o tubería enterada.
Cámara de carga Es una estructura que se construye con el fin de acumular el agua antes de entrar a la tubería de presión. Su función consiste en abastecer y entregar agua durante las horas pico o suplir temporalmente al sistema en caso de una obstrucción en el canal. Además sirve para sedimentar las impurezas del agua, retirar los elementos flotantes, controlar la entrada de agua a la planta y desviar el exceso mediante un rebalse.
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Tubería de presión Transporta el caudal o volumen de agua desde la cámara de carga hasta la casa de máquinas. Las tuberías a presión pueden colocarse sobre o bajo el terreno, para elo se debe tomar en cuenta el material que la conforma, la temperatura ambiente y las exigencias medioambientales del entorno. En este tipo de proyectos se puede utilizar tubería de acero o de cloruro de polivinilo (PVC). En el caso que se decida utilizar tubería de acero, lo mejor es colocarla en forma aérea, montada sobre alguna estructura o apoyos de concreto, así se le puede dar mantenimiento. En caso de usarse tubería PVC, esta debe de enterarse para evitar su deterioro por los rayos solares.
Casa de máquinas Se puede considerar como el corazón de la Microcentral. En ella se colocará prácticamente todo el equipo de generación que conforma el proyecto, su diseño y construcción depende de las características y dimensiones de la turbina, el generador y demás dispositivos necesarios. Algunos de los elementos que se ubican en la casa de máquinas son:
Turbina Es el elemento encargado de transformar en energía mecánica la energía contenida en el agua. Existen diferentes tipos de turbina según la relación de caída y caudal. Entre ellas se encuentran turbinas tipo Francis, Pelton, Turgo y Kaplan, que son las más conocidas. En la sección referente al equipo electromecánico, se hará una descripción detallada de cada uno de los tipos de turbina mencionados anteriormente.
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Generador o Alternador Se encarga de convertir la energía mecánica recibida de la turbina a través de un eje en energía eléctrica. La potencia de los generadores tiene que estar acorde con el de la turbina. Para proyectos de nano- y micro-hidro generalmente se usan alternadores.
El canal de descarga Constituye el último componente de la obra civil, su característica más importante es la de servir de desfogue o conducción de las aguas turbinadas hacia el punto de restitución.
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2.4
Equipo electromecánico utilizado en microcentrales hidroeléctricas
La turbina La turbina hidráulica es el principal componente de una central hidroeléctrica, es el elemento que produce la transformación de la energía contenida en el agua en energía mecánica. Existen dos tipos de turbinas: turbinas de acción y turbinas de reacción.
Turbinas de acción Entre las turbinas de acción más comunes se encuentran la turbina Pelton, la turbina Turgo y las turbinas de flujo cruzado o también llamadas Michel-Banki.
Partes que la conforman: 1. Anclaje montaje 2. Caja de bornes 3. Diodos 4. Transformador 5. Generador 6. Grupo de alimentación y conexión a la conducción 7. Válvula de inyectores 8. Rodete Pelton 9. Inyector 10. Distribuidor 11. Anclajes de fijación 12. Fijación del grupo turbina-generador al distribuidor
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Turbinas de reacción En este caso, las turbinas más conocidas son la turbina Francis y la turbina Kaplan.
Existen gran variedad de tipos y tamaños de turbinas, sin embargo para el presente estudio, las turbinas que nos interesan son las que puedan generar potencias en un rango entre 1kW y 10 kW. De esta manera en micro-centrales, es posible utilizar cualquiera de los siguientes tipos de turbinas (Pelton, Turgo, de Flujo Cruzado, Francis y Kaplan); siempre y cuando las condiciones de caudal y caída así lo permitan.
Micro turbina Pelton Es adecuada para proyectos donde se cuenta con grandes caídas de agua (con saltos notables entre 20 y 20 metros) y con caudales de agua reducidos (entre 0,5 y 10 litros por segundo), lo que la convierte en una de las turbinas más utilizadas en micro-centrales hidroeléctricas. En el mercado se encuentran disponibles en una amplia gama de medidas y en las versiones de ejes horizontales y verticales. El acoplamiento a generadores eléctricos puede ser directo o indirecto a través de poleas y fajas de alto rendimiento.
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Es una turbina de fácil construcción, de instalación sencilla, que ocupa poco espacio y de una alta disponibilidad, no requiere un alto costo de mantenimiento y se caracteriza por su gran eficiencia, pues ronda el 80%.La micro turbina Pelton está conformada por hojas de doble cuchara hechas de acero inoxidable, lo que las hace más robustas y duraderas.
Micro turbina Turgo Es una turbina con una acción muy parecida a la Pelton. Es apta para caídas de tamaño entre 20 y 10 metros y caudales medianos. Pueden ser de eje horizontal o vertical, las usadas en microcentrales pueden tener desde uno hasta cuatro inyectores. El acoplamiento a generadores eléctricos puede ser directo con el rotor acoplado en el eje del generador, o indirecto a través de poleas y fajas, también existen grupos Turbina-generador tipo Turgo, los cuales son más recomendados en pequeños proyectos hidroeléctricos, y con los cuales se evitan estos trabajos de acoplamiento. Se aconseja su uso, para sistemas donde existan o se puedan presentar importantes variaciones de caudal.
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Micro turbina Michel – Banki (Turbina de Flujo Cruzado) Es una turbina utilizada exclusivamente para centrales de potencia pequeña; es apta para caídas que van de 5 a 10 metros y para flujos de 20 a 20 litros por segundo. El rendimiento de las turbinas de Flujo Cruzado es menor que el de las turbinas Pelton, pero se pueden construir con facilidad, su instalación es sencilla y tienen mejor adaptabilidad a las pequeñas caídas. Además, se puede regular el caudal de entrada y la potencia por medio de un mecanismo sencillo. El tamaño de la turbina, a diferencia de las demás, no depende del caudal, por lo cual se puede alcanzar un nivel de eficiencia aceptable con pequeñas turbinas. Gracias a la facilidad constructiva, de mantenimiento, y a la posibilidad de elaborarla de manera artesanal, esta turbina es muy utilizada en países en vía de desarrollo.
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Mini turbina Francis La Mini turbina hidroeléctrica Francis es utilizada en centrales de tamaño medio, con potencias que rondan los 10 kW. Su concepto constructivo es muy parecido al de las turbinas utilizadas en las grandes centrales hidroeléctricas. Algunas de las mayores ventajas que pose esta turbina es que aprovecha toda la caída disponible, así cuando las caídas son medianas, se puede obtener más potencia debido a su alto rendimiento, además el costo en la instalación inicial es menor comparado con otros tipos de turbinas. Por otra parte, en relación con otros equipos de generación, para grandes caídas, se tiene que el peso de la turbina es menor y se maximiza la eficiencia, ya que se aprovecha de una mejor manera la energía contenida en el agua, y de esta forma el generador será más barato y las dimensiones de la casa de máquinas serán más reducidas. Como desventajas podemos mencionar que su construcción es compleja y que por su alta velocidad de rotación provoca fricción y desgaste, motivos por los cuales presenta problemas de instalación en centrales pequeñas.
Turbina Kaplan Se utiliza en proyectos donde la caída es baja (entre 2 y 40metros), pero donde se cuenta con grandes caudales, lo que conlleva a que se instale en un sito cercano a la toma, este tipo de turbinas se pueden colocar en el interior del cauce del rio o dentro de algún tipo de estructura de desvío que conduzca el agua desde la toma 24
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a la descarga, por ejemplo un canal. Normalmente son utilizadas en instalaciones donde se generan potencias superiores a los 10 kw. Desde el punto de vista constructivo, el impulsor pose una característica forma helicoidal, similar a las hélices de los barcos, con hojas regulables según el flujo de agua. Entre las ventajas que pose este tipo de turbina podemos mencionar que presenta un buen comportamiento de la velocidad para alturas de caída, pero sus grandes desventajas son la complejidad de diseño y las bajas eficiencias a cargas parciales.
El Generador El generador eléctrico es una máquina que convierte la energía mecánica entregada por la turbina en energía eléctrica. Algunas de las características que se deben tomar en cuenta para la elección de un generador, por ejemplo, la velocidad de giro, dependen estrictamente de las características de la turbina a l a que se va a acoplar. “Los do s tipos principales de máquinas para generación que se pueden emplear en microcentrales hidroeléctricas son las asíncronas (tipo inducción) que incluyen a los motores funcionando como generadores; y las sincrónicas, que incluyen a los alternadores”.
Para seleccionar adecuadamente el generador que se debe utilizar en un pequeño proyecto hidroeléctrico, se debe tomar en cuenta básicamente dos aspectos: La potencia requerida (demanda) El uso que se le dará a esta energía.
Estos aspectos definirán el tipo de generación, (continua o alterna), la fase (en caso de ser alterna monofásica o trifásica) y el tipo de regulación (por carga o 25
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caudal). “De esta manera si la potencia demandada es mayor a 5 kW, el esquema
de generación recomendado es el de corriente alterna. De lo contrario si la potencia es menor a 5 kW, será generación de corriente continua. El tipo de fase queda determinado como monofásico si la potencia es menor de 10 kW y como trifásico si la potencia es mayor a 10 kW. Finalmente el tipo de regulación será por carga si la potencia es menor a 10 kW y por caudal si es mayor a este valor”.
2.5
Sistemas de protección
Este tipo de proyectos (Microcentrales Hidroeléctricas) deben contar con algunos elementos de protección que ayuden a cuidar y garantizar la integridad y funcionamientos de los aparatos conectados al sistema. Entre los equipos básicos de protección se encuentran lo relés y supresores de sobretensiones, algunas d las protecciones más utilizadas son: relé de baja frecuencia, relé de baja tensión y
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protección contra cortocircuito. Estos sistemas protegen a los equipos de problemas como:
Alta frecuencia Un exceso en la frecuencia del sistema puede dañar los aparatos que son accionados con motores, ya que éstos consumen más potencia entre mayor sea su velocidad de giro. Este tipo de falas suele ocurrir por inconvenientes en el sistema de control de cargas o por problemas e la turbina.
Sobretensión Esta es una condición que puede dañar la mayoría de aparatos, se puede dar si fala el sistema de control de cargas o también debido a una falla en el generador.
Baja tensión Ante una condición de baja tensión, se puede dar que los motores no arranquen o que se sobrecalienten tratando de arrancar.
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CAPÍTULO III 3. VARIABLES E HIPÓTESIS 3.1
Variables de la investigación
- Diseño de una Micro central Hidroeléctrica con turbina pelton para el
Laboratorio de Mecánica de Fluidos - Construcción de una Micro central Hidroeléctrica para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos
3.2
Definición de Variables
Diseño de una Micro central Hidroeléctrica con turbina pelton para el laboratorio de Mecánica de Fluidos. Entiéndase por diseño a la transformación de conceptos e ideas en máquina útil. Según Shigley, diseñar es formular un plan para la satisfacción de una necesidad específica o resolver un problema. En general el diseño de la micro central hidroeléctrica de turbina pelton es para proyectos donde se encuentran grandes caídas de agua, en la presente tesis la caída de agua es reemplazada por la alimentación de dos bombas en paralelo, así mismo para el diseño se toma en cuenta caudales de agua reducidos entre 0.5 y 100 litros por segundo, para el caso de nuestra central el caudal es de 3.5 l/s. Debemos tomar en cuenta que para el diseño de la micro central hidroeléctrica de turbina pelton nos basamos en cálculos experimentales de ensayo y error.
Construcción de la una Micro central Hidroeléctrica para el laboratorio de Mecánica de Fluidos. Entendemos como construcción a edificar, fabricar o desarrollar una obra de Ingeniería o arquitectura, para la presente tesis se fabricará la micro central hidroeléctrica de turbina pelton antes mencionada, cuya construcción es relativamente fácil y de instalación sencilla de acuerdo a la disponibilidad de las condiciones del lugar, así mismo ocupa poco espacio, no requiere de alto costos de mantenimiento y se caracteriza por su gran eficiencia alrededor del 80%.
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3.3
Operacionalización de variables
Dimensionamiento
Indicadores
Diseño de la micro central hidroeléctrica de turbina pelton. Construcción de una micro central hidroeléctrica de una turbina pelton. 3.4
Formulación de Hipótesis
3.4.1 Hipótesis General Es posible realizar el diseño y construcción de una micro central hidroeléctrica de turbina pelton para generar W para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional Del Callao.
3.4.2 Hipótesis Específicas El diseño de la roladora será hecho para una roladora que se asemeja a un triángulo isósceles, que es el tipo de máquina que se construirá mediante este proyecto. El rolado tiene que ver con la teoría de la barra simplemente apoyada con carga distribuida. Las secciones planas siguen permaneciendo planas aún durante la deformación plástica. Durante el rolado, aparecen fuerzas adicionales a las del doblado como la fricción, sin embargo solo se analizan aquella que provocan deformación.
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CAPÍTULO IV 4. METODOLOGÍA 4.1
Tipo de metodología Explicativo-experimental El tipo de investigación desarrollado ha sido una Investigación Explicativaexperimental, ya que buscamos el por qué de los hechos mediante el establecimiento de relaciones causa-efecto; en éste sentido, los estudios explicativos realizados nos determinan los efectos, mediante la prueba de hipótesis para la el diseño y construcción de la micro central hidroeléctrica de turbina pelton.
4.2
Diseño de la metodología Partimos de la hipótesis general, ya que el diseño de la metodología finalmente nos permitirá verificar la hipótesis planteada que es: Realizar el diseño y construcción de una micro central hidroeléctrica de turbina pelton para generar W para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional Del Callao. Se ocupa de la orientación dirigida a los cambios y desarrollos, tanto de la esfera de las ciencias naturales como de las sociales. El diseño adecuado es el factor esencial del método utilizado. La ley de la variable única debe cumplirse en toda situación experimental. Esta investigación se presenta mediante la manipulación de una variable no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir de qué modo y por qué causa se produce una situación o acontecimiento particular. Éste tipo de investigación presenta las siguientes etapas: Presencia de un problema para el cual sea realizada una revisión bibliográfica. Identificación y definición del problema. Definición de hipótesis, variables y la operalización de las mismas, la cuales se han desarrollado anteriormente. Diseño del plan experimental.
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FIME - UNAC
Prueba de confiabilidad de los datos. Realización del experimento. Tratamiento de datos.
Propósitos y valores del alcance de la investigación Alcance Propósito de la Valor de la investigación investigación Dirigido a responder las causas de los eventos y fenómenos físicos, en éste caso ingeniería aplicada. Explicativo-experimental Se enfoca en explicar por qué ocurre un fenómeno y en qué condiciones se manifiesta, o por qué se relacionan dos o más variables.
Se encuentra más estructurado que las demás investigaciones (de hecho implica los propósitos de éstas), además de que proporciona un sentido de entendimiento del fenómeno a que hacen referencia.
El diseño que utilizaremos como ya hemos visto es de tipo de investigación explicativa-aplicada experimental, está dentro del contexto del diseño en ingeniería. Una vez realizado el diseño, se procederá a la construcción de la máquina, lo cual permitirá tener unas características definidas de la parte experimental con el fin de verificar la hipótesis planteada.
4.3
Población y muestra
4.4
En la población están los países que construyen micro centrales hidroeléctricas con turbina pelton. Técnicas e instrumentos de recolección de datos. Aplicación de las normas internacionales.
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