INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS SEMINARIO DE TITULACIÓN PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO CIVIL PRESENTAN: ÁLVAREZ GAVIÑA LILIANA MARÍN NICOLÁS JOSÉ ALFONSO CANALES REYES NÉSTOR DAMIÁN MARTÍNEZ RODRÍGUEZ JULIO CESAR COLORADO NAHUACATL FRANCISCO MARTÍNEZ VÁZQUEZ ADRIANA CONTRERAS ESTRELLA JOSÉ APOLINAR MARTÍNEZ VILLALOBOS JORGE ANTONIO DÍAZ AGUILAR ARTURO MEJÍA VILCHIS EDUARDO MIGUEL ESPINOSA CHÁVEZ MARTHA PATRICIA MERA ESCOBEDO FRANCISCO VALENTÍN GARCÍA BELMONT LUIS DANIEL NÚÑEZ MARTÍNEZ CESAR JESÚS GARCÍA LUNA JOSÉ GUADALUPE PONCE SOLANO ELENA ALEJANDRA GUERRERO LÓPEZ CESAR RAMÍREZ AYALA DALIA GUTIÉRREZ LUGO DIANA ELIZABETH RAMÍREZ CRUZ CESAR JESÚS HERNÁNDEZ ABRAHAM VICTOR FELIPE REYES MELCHOR LUZ MARÍA HERNÁNDEZ LEÓN URIEL RUAN GONZÁLEZ DAVID HERNÁNDEZ RIVERA JUAN CARLOS RUIZ SANTIAGO GUILLERMO LANDIN GONZÁLEZ ALMA DELIA SÁNCHEZ FABELA DAVID ANDRES LUNA NAMBO JOSÉ MANUEL YÁÑEZ HERNÁNDEZ GILBERTO ASESORES: ING. RAÚL MANJARREZ ANGELES M. en C. MARÍA DEL ROSARIO MENDOZA GONZÁLEZ INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS AGRADECIMIENTOS A DIOS, el ser mas importante de nuestras vidas, que a lo largo de esta ha estado siempre a nuestro lado dándonos la oportunidad de concluir una de las metas mas importante en nuestro camino, por enseñarnos que nada es eterno, solo el eterno cambio de las cosas. Al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL por la oportunidad de formar parte de su gloriosa historia, por la calidad académica que nos brindo y por contribuir a nuestra formación profesional y personal. A los PADRES con los que hemos recorrido un gran camino, quienes saben la manera de apoyarnos en la búsqueda de nuestros sueños y que mediante su ejemplo, esfuerzo y apoyo constante lo logramos juntos. A los PROFESORES por la paciencia, esfuerzo y determinación que implica su labor, por la entrega imparcial de los conocimientos y por inculcar en nosotros la búsqueda constante de superación profesional. A los FAMILIARES Y AMIGOS por la compañía, el tiempo compartido y por los momentos gratos vividos. I INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS INTRODUCCIÓN En términos generales, la humanidad poco reflexiona sobre aquellos elementos que la naturaleza le ha brindado y que por ende ha recibido sin realizar esfuerzo alguno: la luz del sol, el agua de los ríos, los frutos de los arboles, el aire que respira. Lo que sucede con los recursos de la naturaleza ocurre también, con las obras del hombre. Nos parecen obvios la electrificación, el ferrocarril, el automóvil, el metro, el avión, las computadoras, el teléfono, el fax, el telégrafo, la radio, el cinematógrafo, la televisión, el drenaje, y hasta las calles pavimentadas entre muchas otras cosas. A partir de la revolución industrial, cuyo inicio se fija a la mitad del siglo XVIII, hasta nuestros días, el hombre ha dado un salto gigantesco que va desde la sanguijuela hasta los antibióticos, del caballo al cohete espacial, del retrato al oleo a la fotografía, del arcabuz a la bombas de neutrones, a la vela de sebo a la lámpara de sodio, de los braceros de ocote del emperador Moctezuma a la lámpara de mercurio. Hasta hace poco tiempo la humanidad había dado la energía como un hecho, siempre estaba ahí -¿Por qué molestarse en saber que es o de donde viene?- pero en la actualidad la gente esta preocupada. De pronto descubrimos que hemos estado agotando importantes fuentes de energía –petróleo, gas natural y carbón- con demasiada rapidez. Debemos pensar seriamente: ¿De dónde vendrá nuestra energía en el futuro? Pues no hay nada en el mundo que este afectado por la energía- o la falta de ella-. Este es un tema que está probando la inteligencia y el ingenio de algunas de las personas más brillantes del mundo. Así es como debería de ser, ya que la disponibilidad de energía en los años –siglos- por venir conformara el futuro de la humanidad. Existen muchas oportunidades para proporcionar energía una vez que las reservas del petróleo, gas y carbón comiencen a agotarse. El sol, la biomasa o biogás, el mar e incluso el agua de la lluvia, de los ríos y hasta la que se utiliza para riego pueden ayudar a satisfacer las necesidades mundiales de energía. II INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS OBJETIVO El ingeniero que se ocupa de proyectar, construir o supervisar el funcionamiento de diversas obras, deben tener conocimiento en la actualidad de las diferentes fuentes de energía existentes, que produzcan menos problemas al ecosistema mundial. Por lo anterior el objetivo del seminario, es la de encausar las inquietudes y conocimientos académicos de los pasantes, para conocer las diferentes fuentes de energía que pueden ser solución para dejar de utilizar combustibles fósiles y que con ello no se dañe más el ambiente. También se pretende dar continuidad al estudio para el aprovechamiento de las energías renovables que en México inicia en los años 80’s y con ello el Instituto Politécnico Nacional, a través de la ESIA Unidad Zacatenco, participe al igual que la UAEM, UNAM, la Universidad de San Luis Potosí, Guadalajara, Iberoamericana y la Salle, en el análisis del aprovechamiento de estas energías alternas. III INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS ÍNDICE Agradecimientos I Introducción II Objetivo III UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES 1.1 Generalidades sobre la energía 1.2 Generalidades sobre centrales de energía en México 1.3 Estado actual de las centrales de energía en México 1.4 Conceptos hidrológicos en el proyecto de centrales de energía 1.5 Elaboración de un reporte de las centrales de energía en México 1.6 Panorama de las energías alternas en México 2 5 7 14 25 41 UNIDAD 2. INSTALACIONES DE BOMBEO Y CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 2.1 Conceptos básicos 2.1.1 Potencia y Energía 2.1.2 Potencia teórica y potencia Real 2.1.3 Turbinas 2.1.4 Bombas 2.1.5 Unidades de Potencia y Energía 2.2 Centrales hidroeléctricas 2.2.1 Elementos de una planta hidroeléctrica 2.2.2 Factor de planta 2.2.3 Situación eléctrica del país 2.3 Instalaciones de bombeo 2.3.1 Tipos de instalación 2.3.2 Elementos de una instalación de bombeo 43 43 44 45 52 57 58 77 79 80 81 83 85 IV INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS UNIDAD 3. TEORÍA GENERAL DE LAS TURBOMÁQUINAS 3.1 Máquinas Hidráulicas 3.2 Antecedentes Históricos 3.3 Conceptos de carga neta 3.4 Elementos Principales 3.4.1. Turbinas 3.4.2 Bombas 3.5 Ecuación de Euler 3.6 Ejemplos 87 88 90 91 92 113 135 145 UNIDAD 4. BOMBAS CENTRIFUGAS 4.1 Generalidades 4.2 Tipos y selección de bombas centrífugas 4.3 Tipos de bombas centrífugas según su forma de operar 4.4 Pérdidas de energía en las instalaciones de bombeo 4.5 Velocidad de giro en bombas 176 177 181 183 192 UNIDAD. 5 TURBINAS HIDRÁULICAS 5.1 Clasificación de turbinas 5.1.1 Pelton 5.1.2 Francis 5.1.3 Kaplan 5.2 Velocidad sincrónica 5.3 Selección de turbinas 5.4 Número y tipo de unidades 5.5 Cavitación en turbinas 204 210 211 212 214 214 221 223 V INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 5.6 Dimensiones principales de las turbinas 5.6.1 Turbinas Pelton 5.6.2 Turbinas Francis y Kaplan 5.6.3 Dimensiones de la casa de máquinas y pozo de oscilación 229 231 237 253 UNIDAD 6. ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA 6.1 Introducción 6.2 Energía Solar 6.2.1 Estado actual de la energía solar en México 6.2.2 Componentes básicos de una plantas eléctrica solar 6.2.3 Descripción de cada componente de una planta eléctrica solar 6.2.4 Tipos de energía solar 6.2.4.1 Fotovoltaica 6.2.4.2 Térmica 6.2.5 Investigación solar en México 6.3 Energía Eólica 6.3.1 Estado actual de la energía eólica en México 6.3.2 Componentes básicos de una plata eólica 6.3.3 Componentes de un aerogenerador 6.4 Proyectos probables de energía eólica en México 6.5 Proyectos de energía eólica en funcionamiento en México 256 256 262 264 265 267 267 267 267 268 270 271 272 275 276 UNIDAD 7. ENERGÍAS ALTERNAS 7.1 Generalidades 7.2 Energía del Oleaje 7.3 Biomasa o biogás 7.4 Microhidráulica, Pequeñas Centrales hidroeléctricas (P.C. H.) 7.5 Otras Energías 279 289 308 317 320 VI INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS UNIDAD 8. SELECCIÓN DE BOMBAS 8.1 Estudios Básicos 8.2 Estudios Topográficos 8.3 Selección de tubería y accesorios 8.3.1 Potencia y gasto por unidad 8.3.2 Predimensionamiento del cárcamo de bombeo 336 337 338 340 341 UNIDAD 9. SELECCIÓN DE TURBINAS 9.1 Estudios Básicos 9.2 Estudios Topo-Hidrológicos 9.3 Selección de tubería de conducción en cuanto a diámetro, pérdidas de energía y material 9.3.1 Potencia y gasto por unidad 9.4 Número, tipo de unidades y diámetro de los rodetes de turbinas 9.4.1 Casa de máquinas (predimensionamiento) 9.5 Pozos de oscilación 350 351 364 367 367 371 378 ANEXOS ANEXO I Calentador Solar ANEXO II Planta de Bombeo 383 404 VII INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD I INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES. Página 1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD I INTRODUCCION Y GENERALIDADES 1.1 GENERALIDADES SOBRE LA ENERGÍA1 ENERGÍA El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural y la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial o económico del mismo LOS DIFERENTES TIPOS DE ENERGÍA ENERGÍA NUCLEAR Es la energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares superan ampliamente a las que pueden lograrse mediante procesos químicos, que sólo implican las regiones externas del átomo. ENERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL La energía cinética es la energía que un objeto posee debido a su movimiento. Depende de la masa y la velocidad del objeto según la siguiente ecuación. ENERGÍA HIDRÁULICA El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Se trata de un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica. ENERGÍA EÓLICA El hombre conoce desde la antigüedad la fuerza del viento y en forma de molinos la ha utilizado desde tiempos remotos. Las modernas centrales eólicas utilizan grandes palas y aunque el principio es el mismo, se consigue un aprovechamiento mas integral de la energía generada. La fuerza del viento proviene de las diferencias de presión atmosférica en distintos lugares del planeta .Estas son causadas por la variedad de temperaturas ocasionadas por la energía solar. Por lo tanto, la energía eólica (llamada así por Eolo, dios griego del viento) también se 1 http://www.cfe.gob.mx/es/LaEmpresa/queescfe/Listadodecentralesgeneradoras/Hidroel%c3%a9ctricas.htm?Combo=Hidroel%c3%a9ctricas Página 2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS relaciona a energía solar, pero se las considera separadas porque la tecnología necesaria para captarlas es muy diferente. Entre otros factores, la concienciación medioambiental y la necesidad de disminuir la dependencia de suministros exteriores influyen fuertemente en las políticas energéticas relativas a las energías renovables en sus diferentes ámbitos: investigación, desarrollo y aplicaciones. ENERGÍA SOLAR El sol es la principal fuente de energía en nuestro planeta, hasta ahora no la hemos aprovechado demasiado. Casi todos los artefactos que conocemos podrían funcionar con energía solar. Desde las lámparas que iluminan nuestras casas los medios de trasporte por eso se la considera la energía del futuro. Es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en forma de fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Se trata del sistema más extendido de aprovechamiento de la energía solar. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica. ENERGÍA GEOTÉRMICA La Tierra posee una enorme cantidad de energía en su interior. Una muestra de ellos lo constituyen, por ejemplo, los volcanes o los géiseres. En general, es difícil aprovechar la energía térmica. Sin embargo, existen puntos en el planeta en los que se producen anomalías geotérmicas, dando lugar a gradientes de temperatura de entre 100 y 200ºC por kilómetro. Es en estos puntos donde se puede aprovechar esta energía. ENERGÍA DEL MAR Los mares y los océanos son inmensos colectores solares de los que extraer energía de orígenes diversos. Página 3 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ENERGÍA DE LAS MAREAS La energía estimada que se disipa por las mareas es del orden de 22000 TWh. De esta energía se consideran recuperables unos 200 TWh. ENERGÍA TÉRMICA OCEÁNICA La explotación de las diferencias de temperatura de los océanos ha sido propuesta multitud de veces. El más conocido pionero de esta técnica fue el científico francés George Claudio, que invirtió toda su fortuna, obtenida por la invención del tubo de neón, en una central de conversión térmica. ENERGÍA MAREMOTRIZ Las olas del mar son un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento de la superficie terrestre genera viento y el viento genera las olas. La tecnología de conversión de movimiento oscilatorio de las olas en energía eléctrica se fundamenta en que la ola incidente crea un movimiento relativo entre un absorbedor y un punto de reacción que impulsa un fluido a través del generador. ENERGÍA HIDRÁULICA Hace ya siglos que se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos de agua que fueron construyéndose a orillas de los ríos a lo largo de la historia. Desde hace algo más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla. El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Se trata de un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica. En los últimos tiempos se han ido recuperando infraestructuras abandonadas dotándolas de nuevos equipos automatizados y turbinas de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental es similar al que ya existía y, en todo caso, menor al de una gran central. A estas instalaciones, con potencia inferior a 5.000 KW se les denomina mini hidráulicas o minicentrales hidroeléctricas. Estas instalaciones mini hidráulicas están condicionadas por las características del lugar de emplazamiento. La topografía del terreno influye en la obra civil y en la selección del tipo de máquina Página 4 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1.2 GENERALIDADES SOBRE CENTRALES DE ENERGIA EN MEXICO 2 Una central hidroeléctrica es aquella que utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda. En general estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual trasmite la energía a un generador el cual la convierte en energía eléctrica. Tipos de centrales hidroeléctricas Según su concepción arquitectónica Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas por medio de una tubería en presión. Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías en presión, o por la combinación de ambas. PRINCIPALES PLANTAS DE ENERGÍA EN MÉXICO La Comisión Federal de Electricidad es la empresa del Estado que se encarga de la generación, transmisión, distribución y comercialización de energía eléctrica en el país. Actualmente atiende a 25.3 millones de personas. Sin embargo, poco se sabe de dónde proviene la energía que todos los días de forma permanente mantiene las actividades de personas, empresa y gobierno. La capacidad de generación cuenta con 177 centrales generadoras de energía, lo que equivale a 49,854 MW (Megawatts), incluyendo a aquellos productores independientes que por ley están autorizados para generarla. Los clientes a los que se suministra energía eléctrica están divididos por su actividad, así el 0.62% se destina al sector servicios, el 10.17% al comercial, el 0.78% a la actividad industrial, el 0.44% al Agrícola y el uso más importante es el doméstico, con 87.99% de los usuarios. Además, la demanda aumenta en 1.1 millones de solicitantes cada año. La capacidad instalada se integra con todas las formas de generación; las termoeléctricas representan el 44.80% de la generación, en tanto las hidroeléctricas el 22.17%, seguidas de las carbo eléctricas que generan el 5.22% del total de la electricidad en el país, mientras que las 2 http://www.explorandomexico.com.mx/about-mexico/6/247/ Página 5 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS núcleo eléctricas contribuyen con el 2.74%, con menor capacidad están las Geotermoeléctricas con 1.92% de generación total y las Eolo eléctricas con sólo 0.171%. Un caso especial son los productores independientes que producen un alto porcentaje en relación con las otras formas de generación, ya que aportan el 22.98% de la capacidad instalada, según la misma CFE. La generación de energía tiene varias fuentes, la primera de ellas y la más antigua son las hidroeléctricas, entre las más importantes por su capacidad de generación se encuentran la de Chicoasén, en Chiapas, Manuel Moreno Torres, que genera 2,400 MW, la del Malpaso en Tecpatán, Chiapas, El Infiernillo, en La Unión, Guerrero, que produce 1,000 MW, le sigue Aguamilpa, en Tepic, Nayarit, la cual es capaz de generar 960 MW. El sistema cuenta también con la Hidroeléctrica Belisario Domínguez, o Angostura, en Chiapas que genera 900 MW, La Hidroeléctrica Leonardo Rodríguez Alcaine, conocida como “El Cajón”, produce actualmente 750 MW desde Santa María del Oro en Nayarit. Otra de gran importancia es la que se encuentra en Choix, en Sonora que lleva el nombre de Luís Donaldo Colosio, conocida también como Huites, la cual genera en su máxima capacidad 422 MW. Por su parte, las Termoeléctricas más importantes son la de Tuxpan, en Veracruz que tiene 2,200 MW de capacidad de generación de energía eléctrica, la de Tula Hidalgo, que produce 1546 MW, seguida de la de Manzanillo, con 1,200 MW, Las Geotermoeléctricas tienen menos presencia en el sistema eléctrico nacional, aunque destacan tres unidades de Cerro Prieto en Mexicali, Baja California, produciendo 220 MW y 180 MW, respectivamente. Las Carbo eléctricas sólo son dos, y se ubican en Nava, Coahuila, cada una de las cuales genera 1,200 y 1,400 MW. Sólo existe una Núcleo eléctrica, la de Laguna Verde en Alto Lucero, Veracruz, y que por si genera 1365 MW Recientemente el gobierno Federal ha hecho énfasis en la necesidad de ir convergiendo hacia la energía alterna, tal como la Eólica, en 1982 fue instalada la Eolo eléctrica Guerrero Negro en Mulegé, Baja California Sur, y en 1994 la Venta en Juchitán, Oaxaca, aunque existe gran diferencia entre una y otra, pues la primera está en un límite muy bajo de producción, en tanto, la segunda produce sólo 85 MW. Existen otras formas de generación como la de ciclo combinado, diesel y otras que generan electricidad en mucho menor proporción que las anteriores. Como se observa, la capacidad instalada a lo largo de la vida de la Comisión Federal de Electricidad, sustenta en gran medida la actividad económica del país, y debe ser un orgullo para los mexicanos las grandes obras de infraestructura que la ingeniería mexicana ha logrado. Página 6 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1.3 ESTADO ACTUAL DE LAS CENTRALES DE ENERGÍA EN MÉXICO 3 ¿Cuantas Plantas Hidroeléctricas tienes México en operación? En México hay 64 Centrales Hidroeléctricas, de las cuales 20 son de gran importancia y 44 son centrales pequeñas. Suman un total de 181 unidades generadoras de este tipo. Las 20 centrales mas grandes se ubican de la siguiente manera: 5 en la Gerencia Regional de Producción Noroeste, 2 en la Gerencia Regional de Producción Norte, 5 en la Gerencia Regional de Producción Occidente, 2 en la Gerencia Regional de Producción Central y 6 en la Gerencia Regional de Producción Sureste. Actualmente 57 plantas hidroeléctricas están produciendo energía eléctrica y 7 centrales hidroeléctricas están fuera de servicio. Esta información esta actualizada hasta el 29 de mayo de 2009. A continuación reproducimos el listado presentado por CFE (Comisión Federal de Electricidad, empresa estatal mexicana responsable de la producción, transmisión y distribución de la energía eléctrica): Fig. 1.1 Plantas Hidroeléctricas en México 4 Las centrales hidroeléctricas toman la energía del flujo de agua en el cause natural de un desnivel conocido como salto geodésico, donde una turbina transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica. Esta forma de aprovechar la fuerza de la Naturaleza genera una energía limpia, renovable y de bajo riesgo. La tecnología hidroeléctrica requiere la instalación de equipos electromecánicos de una turbina, un generador eléctrico y transformadores. Estas instalaciones deben estar debajo del fondo de la base de la cortina de la presa, con la finalidad de aprovechar la energía potencial del agua. El agua es conducida hasta el rodete de la turbina hidráulica y su fuerza hace girar 3 4 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA http://www.explorandomexico.com.mx/about-mexico/6/247/ Página 7 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS las aspas, transformando la energía potencial del agua en energía cinética, la que posteriormente se transforma en energía mecánica. Un generador transforma esa energía mecánica en eléctrica. La energía generada es transportada a través de líneas de transmisión que se enlazan con los centros de distribución. La Central Hidroeléctrica “El Cajón”, comenzó a ser construida en el año 2003 y está ubicada en el Estado de Nayarit, es uno de los proyectos más importantes en su tipo, ya que fue diseñado con una capacidad de generación de 750 megawatts (MW) a través de una cortina de 186 metros de altura, la más alta de su tipo en el mundo, y una capacidad de 12 millones de metros cúbicos. Durante su desarrollo se generaron aproximadamente seis mil empleos directos y fue diseñado completamente por ingenieros mexicanos. En el 2004 recibió el premio “Deal of the Year” por la publicación Project Finance por la estructura financiera de esta obra, reconociendo la importancia de la operación financiera que permitió tener crédito por aproximadamente 800 millones de dólares. Fue el mayor financiamiento concedido al sector eléctrico en México con el fin de construir la única hidroeléctrica de México desde 1994. El Proyecto Hidroeléctrico “La Yesca” inició en el año 2008 con una inversión de 767 millones de dólares y generará de 10 mil empleos, directos e indirectos, durante los cuatro años que durará su construcción. Se espera que esta central hidroeléctrica quede concluida en junio del 2012. Se ubica en el estado de Nayarit, sobre el río Santiago, justo donde este estado limita con el de Jalisco, incorporando 750 megavatios al sistema eléctrico nacional. La Yesca tendrá 220 metros de altura y una cuenca con capacidad para 2,390 millones de metros cúbicos, el equivalente al agua que consume la Ciudad de México durante dos años. La Presa Hidroeléctrica “Aguamilpa” en Nayarit fue concluida en 1993 y está conformada por una cortina de concreto de 187 metros de altura, la más alta de su tipo en América Latina y el agua de su embalse tiene un volumen de 6,950 millones de metros cúbicos a lo largo de 50 kilómetros sobre el río Santiago y el río Huaynamota, creando una fuerza hidráulica de 960 MW. La presa de Aguamilpa no sólo permite una importante generación de energía eléctrica, sino que además regula las avenidas de los ríos para evitar la inundación de los pueblos ubicados río abajo. La Central Hidroeléctrica “Chicoasén” está ubicada sobe el río Grijalva en el municipio de Chicoasén, Chiapas. Esta central cuenta con ocho unidades turbogeneradores de 300 MW cada una, para una capacidad instalada total de 2,400 MW. Estas unidades entraron en operación comercial en 1980. La energía generada es transportada a través de diez líneas de transmisión a Veracruz y Chiapas. La Central Hidroeléctrica “Infiernillo” se encuentra en el límite entre los estados de Michoacán y Guerrero sobre el río Balsas. Esta obra concluyó su construcción en 1963 con una capacidad de almacenamiento de 9 millones de metros cúbicos de agua, generando 960 MW. Su cortina tiene 149 metros de altura, 350 metros de longitud y fue la primera presa Página 8 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS construida con estas dimensiones en México. Debido a que esta central hidroeléctrica se localiza en la zona de mayor riesgo sísmico del país, continuamente se evalúa el comportamiento dinámico de sus estructuras. La presa hidroeléctrica “Malpaso” se encuentra ubicada en el Noroeste del estado de Chiapas, a 40 kilómetros del punto donde limitan los estados de Veracruz, Oaxaca y Chiapas. Se construyó entre 1958 y 1966, la primera y más importante hidroeléctrica construida para el desarrollo del sureste de México sobre el río Grijalva. Fig. 1.2 generación efectiva de electricidad por tipo de planta 5 GENERACIÓN DE ENERGÍA POR PLANTAS HIDROELÉCTRICAS EN México Hay instaladas en el país 217 hidroeléctricas La capacidad de generación es de 9618 MW En operación se cuenta con 78 El porcentaje de utilización es de 26.53% 5 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 9 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 6 Fig. 1.3 principales centrales eléctricas en el país b Fig. 1.3 principales centrales eléctricas en el país 6 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 10 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.4 Red de transmisión eléctrica 7 Fig. 1.5 Plantación de crecimiento de la capacidad instalada8 7 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 8 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 11 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.6 Plan de crecimiento hidroeléctrico 9 Se tiene identificados 26 proyectos de mediano y largo plazo de capacidad total de 6165 MW. Se tiene proyectado a corto plazo 4 centrales de capacidad total 2215 MW. Un proyecto en construcción de 930 MW. Otros proyectos identificados por 32921 MW. 9 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 12 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.7 Sistema de operación del 2001 hasta el año 2010 10 PLAN HIDROELÉCTRICO DE CORTO PLAZO Se tiene proyectado la construcción de: El cajón de 680 MW. Boca del cerro de 560 MW La parota de 765 MW Copainala de 210MW Incrementando la capacidad instalada en un 21.7%. 10 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 13 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS POTENCIAL MICROHIDRAULICO EN MÉXICO En México se cuenta con dos tipos de potencial de aprovechamiento de energía mini y micro hidráulica. 1). uno es el aprovechamiento de las centrales micro y mini hidráulicas que están fuera de servicio y que pueden reiniciar operaciones. 2). Otro son los nuevos proyectos que son viables y que muchos de estos están ya identificados y se encuentran en distintas etapas de su desarrollo. MICRO HIDRÁULICAS EN OPERACIÓN Se tiene 13 centrales micro hidráulicas en operación por CFE. la capacidad total es de 23.61 MW. Se cuenta con 9 centrales micro hidráulicas en operación por Cia. de Luz y Fuerza del Centro con una capacidad total de 13.98 MW. 1.4 CONCEPTOS HIDROLÓGICOS EN EL PROYECTO DE CENTRALES DE ENERGÍA.11 CONCEPTO DE CUENCA Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida. La definición anterior se refiere a una cuenca superficial; asociada a cada una de éstas existe también una cuenca subterránea, cuya forma en planta es semejante a la superficial. De ahíla aclaración de que la definición es válida si la superficie fuera impermeable. Desde el punto de vista de su salida, existen fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y exorreicas. En las primeras el punto de salida está dentro de los límites de la cuenca y generalmente es un lago; en las segundas, el punto de salida se encuentra en los límites de la cuenca y está en otra corriente o en el mar (véase figura 1.8). CARACTERÍSTICAS DE LA CUENCA Y LOS CAUCES El ciclo hidrológico, visto a nivel de una cuenca, se puede esquematizar como un estímulo, constituido por la precipitación, al que la cuenca responde mediante el escurrimiento en su salida. 11 Francisco J. Aparicio Mijares. 1997. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Editorial: Limusa. México. Pag. 19-26 Página 14 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Entre el estímulo y la respuesta ocurren varios fenómenos que condicionan la relación entre uno y otra, y que están Fig. 1.8 Tipo de cuenca.12 controlados por las características geomorfológicas de la cuenca y su urbanización. Dichas características se clasifican en dos tipos, según la manera en que controlan los fenómenos mencionados: las que condicionan el volumen de escurrimiento, como el área de la cuenca y el tipo de suelo, y las que condicionan la velocidad de respuesta, como son el orden de corrientes, pendiente de la cuenca y los cauces, etc. A continuación se describen las características de la cuenca y los cauces de mayor importancia por sus efectos en la relación precipitación-escurrimiento. El parteaguas es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas (véase figura 1.9). El área de la cuenca se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por el parteaguas (véase figura 1.9). La corriente principal de una cuenca es la corriente que pasa por la salida de la misma. Nótese que esta definición se aplica solamente a las cuencas exorreicas. Las demás corrientes de una cuenca de este tipo se denominan corrientes tributarias. Todo punto de cualquier corriente tiene una cuenca de aportación, toda cuenca tiene una y sólo una corriente principal. Las cuencas 12 Francisco J. Aparicio Mijares. 1997. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Editorial: Limusa. México. Pag. 19-26 Página 15 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.9 Delimitación de una cuenca 13 correspondientes a las corrientes tributarias o a los puntos de salida se llaman cuencas tributarias o subcuencas. Entre más corrientes tributarias tenga una cuenca, es decir, entre mayor sea el grado de bifurcación de su sistema de drenaje, más rápida será su respuesta a la precipitación. Por ello, se han propuesto un cierto número de indicadores de dicho grado de bifurcación, algunos de los cuales son los siguientes: El orden de corrientes (referencia 1.8) se determina como se muestra en la figura 1.10. Una corriente de orden 1 es un tributario sin ramificaciones, una de orden 2 tiene sólo tributarios de primer orden, etc. Dos corrientes de orden 1 forman una de orden 2, dos corrientes de orden 3 forman una de orden 4, etc., pero, por ejemplo, una corriente de orden 2 y una de orden 3 forman otra de orden 3. El orden de una cuenca es el mismo que el de la corriente principal en su salida; así, por ejemplo, el orden de la cuenca de la figura 1.10 es 4. Nótese que el orden de una cuenca depende en mucho de la escala del plano utilizado para su determinación; en este sentido, las comparaciones entre una cuenca y otra deben hacerse con cuidado, especialmente cuando los planos correspondientes no están a la misma escala o están editados por diferentes organismos. Otros indicadores del grado de bifurcación o eficiencia de una cuenca son la densidad de corrientes DS, definida como el número de corrientes perennes e intermitentes por unidad de área y la densidad de drenaje Dd, definida como la longitud de corrientes por unidad de área: 13 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 16 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.10 Las corrientes de una cuenca 14 (1.1)15 (1.2)8 Donde Ns = numero de corrientes perennes e intermitentes Ls = longitud total de las corrientes A = área de la cuenca Un orden de corrientes alto o una densidad elevada refleja una cuenca altamente disertada, que responde rápidamente a una tormenta. Las densidades u órdenes de corrientes pequeñas se observan donde los suelos son muy resistentes a la erosión o muy permeables; donde estos indicadores son elevados, los suelos se erosionan fácilmente o son relativamente impermeables, las pendientes son altas y la cobertura vegetal es escasa. Uno de los indicadores más importantes del grado de respuesta de una cuenca a una tormenta es la pendiente del cauce principal. Dado que esta pendiente varía a lo largo del cauce, es necesario definir una pendiente media; para ello existen varios métodos, de los cuales se mencionan tres: a) La pendiente media es igual al desnivel e los extremos de la corriente dividido entre su longitud medida en anta. 14 15 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Francisco J. Aparicio Mijares. 1997. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Editorial: Limusa. México. Pag. 19-26 Página 17 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.11 Pendiente del cause principal.16 Fig. 1.12 Pendiente del cause principal.17 b) La pendiente media es la de una línea recta que, apoyándose en el extremo de aguas abajo de la corriente, hace que se tengan áreas iguales entre el perfil del cauce y arriba y abajo de dicha línea, como se muestra en la figura 1.12. 16 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 17 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 18 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS c) Taylor Schwars referencia 1.2 proponen calcular la pendiente media como la de un canal de sección transversal uniforme que tenga la misma longitud y tiempo de recorrido que la corriente en cuestión. La velocidad de recorrido del agua en el tramo i puede calcularse como (referencia 1.3): (1.3)18 donde k es un factor que depende de la rugosidad y la forma de la sección transversal y Si es la pendiente del tramo i. Además, por definición: (1.4)19 donde Δx es la longitud del tramo i (véase figura 1.13) y ti es el tiempo de recorrido en ese tramo. De 1.3 y 1.4 se obtiene: (1.5)20 Fig. 1.13 Pendiente del cauce principal.21 18 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 19 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 20 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 21 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 19 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Por otra parte, la velocidad media de recorrido en todo el cauce dividido en m tramos es: (1.6)22 donde L es la longitud total del cauce, T es el tiempo total de recorrido y S es la pendiente media buscada. El tiempo T será naturalmente (ecuación 1.5): (1.7), (1.8)23 Finalmente, usando las ecuaciones 1.6, 1.7 y 1.8 y despejando S se obtiene: (1.9)24 Mediante un razonamiento semejante se puede obtener la siguiente fórmula para el caso en que las longitudes de los tramos no sean iguales: 22 23 24 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 20 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS (1.10)25 donde li es la longitud del tramo i. Las corrientes se clasifican de varias maneras, pero las más interesantes en la ingeniería hidrológica son tal vez las siguientes: a) Por el tiempo en que transportan agua. Según esta clasificación las corrientes pueden ser perennes, intermitentes o efímeras (véase figura 1.14). En una corriente perenne el punto más bajo del cauce se encuentra siempre abajo del nivel de aguas freáticas. Estas corrientes transportan agua durante todo el año y siempre están alimentadas, totalmente o en parte, por el agua subterránea, es decir, son efluentes. Una corriente intermitente transporta agua durante la época de lluvias de cada año, cuando el nivel freático asciende hasta quedar por encima del punto A (figura 1.14b). En época de secas el nivel freático queda por debajo de dicho punto y la corriente no transporta agua, salvo cuando se presenta alguna tormenta. En el caso de las corrientes efímeras o influentes el nivel freatico esta siempre abajo del punto A ( figura 1.14c) y transportan agua inmediatamente después de una tormenta, y, en este caso, alimentan a los almacenamientos de agua subterránea. b) Por su posición topográfica o edad geológica. De acuerdo con esta clasificación los ríos pueden ser de montañas o juveniles, de transición o maduros, o bien de planicie o viejos (véase figura 1.15) 25 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 21 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.14 Clasificación de corrientes (por el tiempo en que transportan agua).26 En un mismo cauce se pueden encontrar los tres tipos de ríos. Los ríos de montaña, característicos de cotas elevadas sobre el nivel del mar, tienen grandes pendientes y pocas curvas y, debido a las altas velocidades que alcanza el agua, sus cauces están generalmente formados por cantos rodados con un poco de grava y casi nada de finos. Los ríos de planicie, por el contrario, presentan numerosos meandros debido a las bajas velocidades del agua y su cauce se forma por arenas y finos. En general, estos ríos se encuentran en cotas cercanas al nivel del mar. Los ríos de transición están en una situación intermedia entre los dos anteriores: presentan algunas curvas, con velocidades de agua moderadas y sus cauces están formados básicamente por grava, con algo de cantos rodados y arena. Fig. 1.15 Clasificación de corrientes (por su posición topográfica o edad geológica).27 Escurrimiento El escurrimiento se define como el agua proveniente de la precipitación que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca. 26 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 27 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 22 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El agua proveniente de la precipitación que llega hasta la superficie terrestre —una vez que una parte ha sido interceptada y evaporada— sigue diversos caminos hasta llegar a la salida de la cuenca. Conviene dividir estos caminos en tres clases: escurrimiento superficial, escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterráneo. FUENTES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ESCURRIMIENTO. Una vez que la precipitación alcanza la superficie del suelo, se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan. Posteriormente, se comienzan a llenar las depresiones del terreno y, al mismo tiempo, el agua comienza a escurrir sobre su superficie. Este escurrimiento, llamado flujo en la superficie del terreno,* se produce mientras el agua no llegue a cauces bien definidos (es decir, que no desaparecen entre dos tormentas sucesivas). En su trayectoria hacia la corriente más próxima, el agua que fluye sobre el terreno se sigue infiltrando, e incluso se evapora en pequeñas cantidades. Una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en escurrimiento en corrientes. El flujo sobre el terreno, junto con el escurrimiento en corrientes, forma el escurrimiento superficial. Una parte del agua de precipitación que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y más o menos paralelamente a él. A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial: La otra parte, que se infiltra hasta niveles inferiores al freático, se denomina escurrimiento subterráneo. De los tres tipos de escurrimiento, e) superficial es el que llega más rápido hasta la salida de la cuenca. Por ello está relacionado directamente con una tormenta particular y entonces se dice que proviene de la precipitación en exceso o efectiva y que constituye el escurrimiento directo. El escurrimiento subterráneo es el que de manera más lenta llega hasta la salida de la cuenca (puede tardar años en llegar), y, en general, difícilmente se le puede relacionar con una tormenta particular, a menos que la cuenca sea demasiado pequeña y su suelo muy permeable. Debido a que se produce bajo el nivel freático, es el único que alimenta a las corrientes cuando no hay lluvias y por eso se dice que forma el escurrimiento ‘base. El escurrimiento subsuperficial puede ser casi tan rápido como el superficial o casi tan lento como el subterráneo, dependiendo de la permeabilidad de los estratos superiores del suelo; por ello es difícil distinguirlo de los otros dos. Cuando es relativamente rápido se le trata junto con el escurrimiento superficial, y cuando es relativamente lento se le considera parte del subterráneo. La clasificación anterior, aunque ilustrativa, no deja de ser arbitraria. El agua puede comenzar su viaje hacia la corriente como flujo superficial e infiltrarse en el camino, terminando como escurrimiento subsuperficial o subterráneo. A la inversa, el escurrimiento subsuperficial puede emerger a la superficie sien su camino se encuentra con un estrato muy permeable que aflora Página 23 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS en una ladera. Lo importante en realidad es la rapidez con que una cuenca responde a una tormenta, pues esto es lo que determina la magnitud de las correspondientes avenidas. Fig. 1.16 Hidrograma. 28 Fig. 1.17Hidrograma aislado.29 28 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 29 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 24 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1.5 ELABORACIÓN DE UN REPORTE DE LAS CENTRALES DE ENERGÍA EN MÉXICO. 30 HIDROELÉCTRICAS Las centrales hidroeléctricas toman la energía del flujo de agua en el cause natural de un desnivel conocido como salto geodésico, donde una turbina transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica. Esta forma de aprovechar la fuerza de la Naturaleza genera una energía limpia, renovable y de bajo riesgo. La tecnología hidroeléctrica requiere la instalación de equipos electromecánicos de una turbina, un generador eléctrico y transformadores. Estas instalaciones deben estar debajo del fondo de la base de la cortina de la presa, con la finalidad de aprovechar la energía potencial del agua. El agua es conducida hasta el rodete de la turbina hidráulica y su fuerza hace girar las aspas, transformando la energía potencial del agua en energía cinética, la que posteriormente se transforma en energía mecánica. Un generador transforma esa energía mecánica en eléctrica. La energía generada es transportada a través de líneas de transmisión que se enlazan con los centros de distribución. Tabla 1.1.- Plantas Hidroeléctricas en México 31 Nombre de la central Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Aguamilpa Solidaridad 3 15-Sep-1994 960 Tepic, Nayarit Ambrosio Figueroa (La Venta) 5 31-May-1965 30 La Venta, Guerrero Ángel Albino Corzo (Peñitas) 4 15-Sep-1987 420 Ostuacán, Chiapas Bacurato 2 16-Jul-1987 92 Sinaloa de Leyva, Sinaloa Bartolinas 2 20-Nov-1940 1 Tacámbaro, Michoacán Belisario Domínguez (Angostura) 5 14-Jul-1976 900 30 Ubicación Venustiano Carranza, Chiapas http://www.explorandomexico.com.mx/about-mexico/6/247/ 31 http://www.cfe.gob.mx/es/LaEmpresa/queescfe/Listadodecentralesgeneradoras/Hidroel%c3%a9ctricas.htm?Combo=Hidroel%c3%a9ctricas Página 25 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Bombaná 4 20-Mar-1961 5 Soyaló, Chiapas Boquilla 4 01-Ene-1915 25 San Francisco Conchos, Chihuahua Botello 2 01-Ene-1910 13 Panindícuaro, Michoacán 2 26-Jul-1966 18 El Naranjo, Luís Potosí Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol) 3 16-Dic-1986 600 Apaxtla, Guerrero Chilapan 4 01-Sep-1960 26 Catemaco, Veracruz Cóbano 2 25-Abr-1955 52 Gabriel Zamora, Michoacán Colimilla 4 01-Ene-1950 51 Tonalá, Jalisco Camilo (El Salto) Arriaga San Colina 1 01-Sep-1996 3 San Francisco Conchos, Chihuahua Colotlipa 4 01-Ene-1910 8 Quechultenango, Guerrero Cupatitzio 2 14-Ago-1962 72 Uruapan, Michoacán Electroquímica 1 01-Oct-1952 1 Cd. Valles, Luís Potosí Encanto 2 19-Oct-1951 10 Tlapacoyan, Veracruz Falcón 3 15-Nov-1954 32 Nueva Guerrero, Tamaulipas 2 27-Sep-1996 292 Zimapán, Hidalgo Humaya 2 27-Nov-1976 90 Badiraguato, Sinaloa Infiernillo 6 28-Ene-1965 1,040 Fernando Balderrama (Zimapán) San Cd. Hiriart La Unión, Página 26 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Guerrero Itzícuaro 2 01-Ene-1929 1 Peribán los Reyes, Michoacán Ixtaczoquitlán 1 10-Sep-2005 2 Ixtaczoquitlán, Veracruz 3 26-Abr-1967 21 Tapachula, Chiapas Jumatán 4 17-Jul-1941 2 Tepic, Nayarit La Amistad 2 01-May-1987 66 Acuña, Coahuila Leonardo Rodríguez Alcaine (El Cajón) 2 01-Mar-2007 750 Santa María Oro, Nayarit Luís Colosio (Huites) 2 15-Sep-1996 422 Choix, Sinaloa 1 01-Ene-1963 5 Tonalá, Jalisco Malcaso 6 29-Ene-1969 1,080 Tecpatán, Chiapas Manuel M. Diéguez (Santa Rosa) 2 02-Sep-1964 61 Amatitlán, Jalisco Manuel Moreno Torres (Chicoasén) 8 29-May-1981 2,400 Mazatepec 4 06-Jul-1962 220 Micos 2 01-May-1945 1 Cd. Valles, Luís Potosí Minas 3 10-Mar-1951 15 Las Veracruz Mocúzari 1 03-Mar-1959 10 Álamos, Sonora Oviáchic 2 28-Ago-1957 19 Cajeme, Sonora Platanal 2 21-Oct-1954 9 Jacona, Michoacán Plutarco Elías Calles (El Novillo) 3 12-Nov-1964 135 Soyopa, Sonora Portezuelos I 4 01-Ene-1901 2 Atlixco, Puebla José Cecilio Valle del del Donaldo Luís M. (Intermedia) Rojas Chicoasén, Chiapas Tlatlauquitepec, Puebla San Minas, Página 27 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Portezuelos II 2 01-Ene-1908 1 Atlixco, Puebla Puente Grande 2 01-Ene-1912 12 Tonalá, Jalisco Raúl J. Marsal (Comedero) 2 13-Ago-1991 100 Cosalá, Sinaloa Salvador Alvarado (Sanalona) 2 08-May-1963 14 Culiacán, Sinaloa San Pedro Porúas 2 01-Oct-1958 3 Villa Madero, Michoacán Schpoiná 3 07-May-1953 2 Venustiano Carranza, Chiapas Tamazulapan 2 12-Dic-1962 2 Tamazulapan, Oaxaca Temascal 6 18-Jun-1959 354 San Miguel Soyaltepec, Oaxaca Texolo 2 01-Nov-1951 2 Teocelo, Veracruz Tirio 3 01-Ene-1905 1 Morelia, Michoacán Tuxpango 4 01-Ene-1914 36 Ixtaczoquitlán, Veracruz Valentín Gómez Farías (Agua Prieta) 2 15-Sep-1993 240 Zapopan, Jalisco Villita 4 01-Sep-1973 300 Lázaro Cárdenas, Michoacán Zumpimito 4 01-Oct-1944 6 Uruapan, Michoacán 27 de Septiembre (El Fuerte) 3 27-Ago-1960 59 El Fuerte, Sinaloa El Durazno (Sistema Hidroeléctrico Miguel Alemán) 2 01-Oct-1955 0 Valle de México Huazuntlán 1 01-Ago-1968 0 Zoteapan, Veracruz Centrales fuera servicio: de Bravo, Página 28 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Ixtapantongo (Sistema Hidroeléctrico Miguel Alemán) 3 29-Ago-1944 0 Valle de México Las Rosas 1 01-Ene-1949 0 Cadereyta, Querétaro Santa Bárbara (Sistema Hidroeléctrico Miguel Alemán) 3 19-Oct-1950 0 Santo Tomás de los Plátanos, México Tepazolco 2 16-Abr-1953 0 Xochitlán, Puebla Tingambato (Sistema Hidroeléctrico Miguel Alemán) 3 24-Sep-1957 0 Otzoloapan, México Bravo, TERMOELÉCTRICAS 32 Una central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Este tipo de generación eléctrica es contaminante pues libera dióxido de carbono. Por otro lado, también existen centrales termoeléctricas que emplean fisión nuclear del uranio para producir electricidad. Este tipo de instalación recibe el nombre de central nuclear. 32 http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica Página 29 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 1.2.- Plantas Termoeléctricas en México 33 Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) 4 19-May-1976 800 Altamira, Tamaulipas 2 02-Abr-1985 316 Cd. Juárez, Chihuahua Carlos Rodríguez Rivero (Guaymas II) 4 06-Dic-1973 484 Guaymas, Sonora Felipe Carrillo Puerto (Valladolid) 2 05-Abr-1992 75 Valladolid, Yucatán Francisco Pérez Ríos (Tula) 5 30-Jun-1991 1,546 Francisco Villa 5 22-Nov-1964 300 Delicias, Chihuahua Gral. Manuel Álvarez Moreno (Manzanillo I) 4 01-Sep-1982 1,200 Manzanillo, Colima Guadalupe (Lerdo) 2 18-Jun-1991 320 Lerdo, Durango 3 13-Nov-1976 616 Mazatlán, Sinaloa Juan de Dios Bátiz P. (Topolobampo) 3 12-Jun-1995 320 Ahome, Sinaloa Lerma (Campeche) 4 09-Sep-1976 150 Campeche, Campeche Manzanillo II 2 24-Jul-1989 700 Manzanillo, Colima Mérida II 2 13-Dic-1981 168 Mérida, Yucatán Nachi-Cocom 2 06-Jun-1962 49 Mérida, Yucatán Pdte. Adolfo López Mateos (Tuxpan) 6 30-Jun-1991 2,100 Nombre de la central Altamira Benito (Samalayuca) José Aceves (Mazatlán II) 33 Juárez Victoria Pozos Ubicación Tula, Hidalgo Tuxpan, Veracruz http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 30 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Pdte. Emilio Portes Gil (Río Bravo) 1 11-Jul-1964 300 Río Bravo, Tamaulipas Poza Rica 3 04-Feb-1963 117 Tihuatlán, Veracruz 6 06-Mar-1964 320 Rosarito, California Puerto Libertad 4 01-Ago-1985 632 Pitiquito, Sonora Punta Prieta II 3 01-Ago-1979 113 La Paz, Baja California Sur Salamanca 4 19-Jun-1971 866 Salamanca, Guanajuato Valle de México 3 01-Abr-1963 450 Acolman, México Villa de Reyes 2 01-Nov-1986 700 Villa de Reyes, San Luis Potosí Guaymas I 2 10-Ago-1962 0 Guaymas, Sonora La Laguna 1 01-Dic-1967 0 Gómez Palacio, Durango Monterrey 6 15-Jul-1965 0 San Nicolás de los Garza, N.L. San Jerónimo 2 30-Sep-1960 0 Monterrey, Nuevo León Presidente (Rosarito) Juárez Baja Centrales fuera de servicio: GEOTERMOELÉCTRICAS 34 La energía geotérmica es aquella energía que puede ser obtenida por el hombre mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. Parte del calor interno de la Tierra (5.000 ºC) llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y, por tanto, servir para accionar turbinas eléctricas o para calentar. El calor del interior de la Tierra se debe a varios 34 http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Planta%20Cerro_Prieto.html Página 31 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS factores, entre los que destacan el gradiente geotérmico y el calor radiogénico. Geotérmico viene del griego geo, "Tierra"; y de thermos, "calor"; literalmente "calor de la Tierra". La tecnología denominada geotermoeléctrica, puede ser obtenida por el hombre mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. Parte del calor interno de la Tierra (5.000 ºC) llega a la corteza terrestre. para generar energía eléctrica aprovecha el calor contenido en el agua que se ha concentrado en ciertos sitios del subsuelo conocidos como yacimientos geotérmicos, y se basa en el principio de la transformación de energía calorífica en energía eléctrica, con principios análogos a los de una termoeléctrica tipo vapor, excepto en la producción de vapor, que en este caso se extrae del subsuelo, por medio de pozos que extraen una mezcla agua-vapor que se envía a un separador; el vapor ya seco se dirige a las aspas de una turbina, donde se transforma la energía cinética en mecánica y ésta, a su vez, se transforma en electricidad en el generador eléctrico. Tabla 1.3.- Plantas Geotermoeléctricas en México35: Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Cerro Prieto I 5 12-Oct-1973 180 Mexicali, Baja California Cerro Prieto II 2 01-Feb-1984 220 Mexicali, Baja California Cerro Prieto III 2 24-Jul-1985 220 Mexicali, Baja California Cerro Prieto IV 4 26-Jul-2000 100 Mexicali, Baja California Humeros 8 30-May-1991 40 Humeros, Puebla Los Azufres 15 04-Ago-1982 195 Cd. Hidalgo, Michoacán Tres Vírgenes 2 02-Jul-2001 10 Mulege, Baja California Sur Nombre de la central 35 Ubicación http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 32 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CARBOELÉCTRICAS 36 Las centrales carboeléctricas, no difieren en cuanto a su concepción básica de las termoeléctricas convencionales; el único cambio importante es el uso del carbón como energético primario. En la práctica; el carbón y sus residuos de la combustión requieren de un manejo más complejo que los combustibles líquidos o gaseosos utilizados en termoeléctricas convencionales. Tabla 1.4.- Plantas Carboeléctricas en México: 10 Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Carbón II 4 02-Nov-1993 1,400 Nava, Coahuila José López Portillo (Río Escondido) 4 21-Sep-1982 1,200 Nava, Coahuila Nombre de la central Ubicación NUCLEOELÉCTRICAS 37 Las centrales nucleoeléctricas tienen cierta semejanza con termoeléctricas convencionales, ya que también utilizan vapor a presión para mover los turbogeneradores. En este caso se aprovecha el calor que se obtiene al fusionar átomos del isótopo de uranio U235 en el interior del reactor como resultado de las distintas combinaciones de los elementos comunes: combustibles, moderador y refrigerante. Entre las variantes posibles las más comunes son: a) a) b) b) PWR - Reactor de agua ligera a presión. BWR - Reactor de agua ligera hirviente. Tabla 1.5.- Plantas Nucleoeléctricas en México38: Nombre de la central Laguna Verde 36 Número Capacidad Fecha de entrada de efectiva instalada en operación unidades (MW) 2 29-Jun-1990 1,365 Ubicación Alto Lucero, Veracruz http://200.23.166.141/work/sites/Sener/resources/LocalContent/334/1/CENTRALESCARBOELECTRICAS.html 37 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 38 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 33 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS EOLOELÉCTRICAS 39 En términos generales, un aerogenerador es un sistema que transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica. una central eoloeléctrica consiste en un grupo de aerogeneradores conectados entre sí, cuya producción de electricidad se integra a la producción de un sistema eléctrico mixto. Asi los usuarios consumen la energía eoloeléctrica de igual forma que consumen la electricidad que se genera en las centrales convencionales. Los aerogeneradores que se usan para construir centrales eoloeléctricas son máquinas de tamaño considerable. En la actualidad, las máquinas de este tipo se ofrecen comercialmente en capacidades que van de 200 a 1500 KW. Sus rotores tienen diámetros entre 27 y 63 metros y se instalan en torres que alcanzan hasta 60 metros de altura. A pesar de que su concepto básico sugiere sencillez, los aerogeneradores no son sistemas simples ya que se integran con subsistemas aerodinámicos, mecánicos, eléctricos y electrónicos, cuyo desarrollo e integración ha planteado retos tecnológicos importantes. Como consecuencia, a pesar de que su diseño conceptual data desde hace décadas, el logro de su madurez técnica se ha venido gestando durante los últimos 10 años. Tabla 1.6.- Plantas Eoloeléctricas en México40: Nombre de la central Guerrero Negro La venta 39 40 Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Ubicación 1 02-Abr-1982 1 Mulegé, Baja California Sur 104 10-Nov-1994 85 Juchitán, Oaxaca http://genc.iie.org.mx/genc/eolica/libroo/c1web/1_2.htm http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 34 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 1.7.- Plantas Diesel en México41: Diesel Nombre de la central Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Ubicación Baja California Sur I 2 28-Jul-2005 79 La Paz, Baja California Sur Gral. Agustín Olachea A. (Pto. San Carlos) 3 16-Ago-1991 104 Comondú, Baja California Sur Guerrero Negro (Vizcaíno) 3 17-Jun-2004 11 Mulegé, Baja California Sur Hol-Box 8 01-Ene-1985 3 Lázaro Cárdenas, Quintana Roo Huicot 16 01-Ene-1973 1 Nayarit y Jalisco Santa Rosalía 11 10-Jun-1975 13 Mulegé, Baja California Sur Yécora 4 03-Jun-1977 2 Yécora, Sonora Paquete de unidades móviles 22 1901- 1983 3 Diferentes estados de la república II Unidades fuera de servicio: 41 Esmeralda 5 15-Abr-1971 0 Sierra Mojada, Coahuila Guerrero Negro 4 02-Abr-1982 0 Mulegé, Baja California Sur http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 35 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 1.8.- Plantas Turbogas en México42 Turbogas Nombre de la central Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Caborca 2 03-Nov-1970 42 Caborca, Sonora Cancún 4 01-Ene-1974 102 Cancún, Quintana Roo Chankanaab 3 01-Mar-1968 52 Cozumel, Quintana Roo Chávez (TG. Laguna - Chávez) 2 07-Jul-1971 28 Francisco I. Madero, Coahuila Ciprés 1 12-Dic-1981 27 Ensenada, California Ciudad Constitución 1 26-Oct-1984 33 Cd. Constitución, Baja California Sur Ciudad del Carmen 3 28-Jul-1986 47 Ciudad Carmen, Campeche Ciudad Obregón 2 01-Jun-1972 28 Cajeme, Sonora Culiacán 1 01-Ene-1990 30 Culiacán, Sinaloa El Verde 1 01-Feb-1973 24 El Salto, Jalisco Esperanzas 1 16-Nov-1971 12 Múzquiz, Coahuila 1 05-Abr-1971 12 Monterrey, Nuevo León 1 01-Mar-1977 18 Cd. Juárez, Chihuahua La Laguna (TG. Laguna - Chávez) 4 05-May-1970 56 Gómez Palacio, Durango La Paz 2 01-Jun-1977 43 La Paz, Baja California Sur Fundidora Monterrey) (TG. Industrial Juárez) (TG. 42 Ubicación Baja del http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 36 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3 01-Ene-1969 43 Acapulco, Guerrero 2 01-Mar-1972 24 Monterrey, Nuevo León Los Cabos 3 30-Nov-1983 85 Los Cabos, Baja California Sur Mérida II 1 01-Abr-1981 30 Mérida, Yucatán Mexicali 3 01-Oct-1974 62 Mexicali, California Monclova 3 01-Dic-1975 48 Monclova, Coahuila Nachi-Cocom 1 16-Mar-1987 30 Mérida, Yucatán Nizuc 2 01-Abr-1980 88 Cancún, Quintana Roo Parque (TG. Juárez) 4 01-Oct-1974 59 Cd. Juárez, Chihuahua San Potencia 2 01-Ene-2004 266 Cuautlancingo, Puebla 1 01-Feb-1974 26 Monterrey, Nuevo León 3 01-Jul-1982 210 Rosarito, California 2 31-Oct-1970 24 Monterrey, Nuevo León Xel-Ha 2 05-Nov-1980 14 Othón P. Blanco, Quintana Roo Huinalá 1 02-Mar-99 150 Pesquería, Nuevo León Pdte. Adolfo López M. (Tuxpan) 1 02-Ene-04 163 Tuxpan, Veracruz P. Móvil OT-5000-1 1 02-Oct-84 3 Guerrero Negro, B.C.S P. Móvil T-14000-1 1 07-Ene-70 13 Santa B.C.S. Las Cruces Leona Monterrey) Tecnológico Monterrey) (TG. Lorenzo (TG. Tijuana Universidad Monterrey) (TG. Baja Baja Rosalía, Página 37 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS P. Móvil T-14000-2 1 13-Feb-72 13 Cabo San Lucas, B.C.S P. Móvil T-18000-1 1 01-Jul-87 13 Chetumal, Quintana Roo P. Móvil T-25000-1 1 01-Jun-87 19 Cabo San Lucas, B.C.S. P. Móvil T-25000-2 1 28-Ene-88 19 Cabo San Lucas, B.C.S P. Móvil T-25000-3 1 26-Ene-77 20 Gomez DGO. P. Móvil T-25000-4 1 01-Jun-87 17 Ensenada, California Chaveña 1 01-Jun-70 0 Cd. Juárez, Chihuahua Chihuahua 4 01-Abr-1972 0 Chihuahua, Chihuahua Nuevo Laredo (Arroyo del Coyote) 2 10-Dic-1980 0 Nuevo Laredo, Tamaulipas Palacio, Baja Centrales fuera de servicio: Tabla 1.9.- Plantas Productores Independientes en México43 Productores Independientes Número de unidades Fecha de entrada en operación Capacidad efectiva instalada (MW) Altamira II 3 01-May-2002 495 Altamira, Tamaulipas Altamira III y IV 6 24-Dic-2003 1,036 Altamira, Tamaulipas Altamira V 6 22-Oct-2006 1,121 Altamira, Tamaulipas Nombre de la central 43 Ubicación http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Página 38 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Bajío 4 09-Mar-2002 495 San Luis de la Paz, Querétaro Campeche 2 28-May-2003 252 Palizada, Campeche Chihuahua III 3 09-Sep-2003 259 Cd. Chihuahua Hermosillo 2 01-Oct-2001 250 Hermosillo, Sonora La Laguna II 3 15-Mar-2005 498 Gómez Durango Mérida III 3 09-Jun-2000 484 Mérida, Yucatán Mexicali 3 20-Jul-2003 489 Mexicali, California Baja Monterrey III 2 27-Mar-2002 449 Pesquería, León Nuevo Naco - Nogales 2 04-Oct-2003 258 Agua Prieta, Sonora 3 18-Ene-2002 495 Valle Hermoso, Tamaulipas Río Bravo III 3 01-Abr-2004 495 Valle Hermoso, Tamaulipas Río Bravo IV 3 01-Abr-2005 500 Valle Hermoso, Tamaulipas Saltillo 2 19-Nov-2001 248 Ramos Coahuila Tamazunchale 6 21-Jun-2007 1,135 Tuxpan II 3 15-Dic-2001 495 Tuxpan, Veracruz Tuxpan III y IV 6 23-May-2003 983 Tuxpan, Veracruz Tuxpan V 3 01-Sep-2006 495 Tuxpan, Veracruz Valladolid III 3 27-Jun-2006 525 Valladolid, Yucatán Río Bravo (Anáhuac) II Juárez, Palacio, Arizpe, Tamazunchale, San Luis Potosí Página 39 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 1.10.- Plantas Dual en México44: Dual Número Fecha de entrada Capacidad efectiva de Ubicación en operación instalada (MW) unidades Nombre de la central Pdte. Plutarco Elías Calles (Petacalco) 6 La Unión, Guerrero 2,100 18-Nov-1993 Tabla 1.11.- Plantas Ciclo Combinado en México45: Ciclo combinado Nombre de la central Chihuahua Encino) II (El Número de unidades Fecha de Capacidad entrada en efectiva instalada operación (MW) Ubicación 5 09-May-2001 619 Chihuahua, Chihuahua Dos Bocas 6 14-Ago-1974 452 Medellín, Veracruz El Sauz 7 29-Jul-1981 603 Pedro Escobedo, Querétaro Felipe Carrillo Puerto (Valladolid) 3 30-Jun-1994 220 Valladolid, Yucatán Gómez Palacio 3 05-Ene-1976 240 Gómez Durango Hermosillo 2 31-Dic-2005 227 Hermosillo, Sonora Huinalá 5 10-Jul-1998 378 Pesquería, León Nuevo Huinalá II (Monterrey II) 2 17-Sep-2000 450 Pesquería, León Nuevo 44 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA 45 http://www.cie.unam.mx/~rbb/PRESENTACION… HIDROELÉCTRICA Palacio, Página 40 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Pdte. Emilio Portes Gil (Río Bravo) 3 05-Oct-2007 211 Río Tamaulipas Presidente (Rosarito) 2 06-Jul-2001 496 Rosarito, California Baja Samalayuca II 6 12-May-1998 522 Cd. Chihuahua Juárez, Tula 6 08-May-1981 489 Tula, Hidalgo Valle de México 4 01-Jul-2004 549 Acolman, México Juárez Bravo, 1.6 PANORAMA DE LAS ENERGÍAS ALTERNAS EN MÉXICO 46 Comienza GDF a utilizar energías Ciudad de México. (SDP).- Celdas solares para iluminación se encuentran colocadas en el techo del Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal lo que se constituye en la primera entidad gubernamental del Gobierno capitalino en emplear esa técnica. Este sistema fotovoltaico autónomo consiste en un sistema de panel solar de 4100 watts lo que permitirá reducir el consumo de energéticos fósiles, disminuir las emisiones de gases contaminantes, combinar la generación de energía limpia con el uso de dispositivos ahorradores de alta eficiencia. Figura 1.18.- Ciudad de México. (SDP).Foto: Rodolfo Angulo/Cuartoscuro 47 46 47 http://sdpnoticias.com/sdp/contenido/2009/07/01/435255 http://sdpnoticias.com/sdp/contenido/2009/07/01/435255 Página 41 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 42 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD II INSTALACIONES DE BOMBEO Y CENTRALES HIDROELECTRICAS. Página 42 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD II INSTALACIONES DE BOMBEO Y CENTRALES HIDROELECTRICAS 2.1 CONCEPTOS BÁSICOS. 2.1.1 POTENCIA Y ENERGÍA. 48 La potencia es trabajo mecánico que incorpora en su valor el parámetro tiempo. Es decir, la potencia se expresa con un número que cuantifica el trabajo efectuado durante un lapso de tiempo. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor. La potencia en términos generales, expresa la capacidad para ejecutar un trabajo en el menor tiempo posible. La potencia mecánica es la potencia transmitida mediante la acción de fuerzas físicas de contacto o elementos mecánicos asociados como palancas, engranajes, etc. El caso más simple es el de una partícula libre sobre la que actúa una fuerza variable. De acuerdo con la dinámica clásica esta potencia viene dada por la variación de su energía cinética o trabajo realizado por unidad de tiempo. 2 En sistemas mecánicos más complejos con elementos rotativos sobre un eje constante y donde el momento de inercia permanece constante, la potencia mecánica puede relacionarse con el par motor, la velocidad angular siendo la potencia la variación de la energía cinética de rotación por unidad de tiempo.49 ENERGÍA. 50 Un aprovechamiento hidroeléctrico no puede caracterizarse completamente sólo por su potencia, sino además, y en forma muy importante, por el tiempo en que ésta puede utilizarse. A este concepto se le llama energía y representa el trabajo desarrollado en un cierto tiempo; esto es, el producto de la potencia por dicho tiempo, que generalmente se expresa en horas aprovechadas, es decir: EneEnergía 48 http://www.todomotores.cl/mecanica/potencia.htm 49 http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia 50 = Potencia x Tiempo en horas Humberto Gardea Villegas, 30 de junio de 1992,Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo,Editorial: Trillas.,País: México.,Pág. 13-14, 54 Página 43 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 2.1.2 POTENCIA TEÓRICA Y POTENCIA REAL. POTENCIA TEÓRICA.51 Es la que posee el líquido inmediatamente antes de ser utilizado por una turbina hidráulica. POTENCIA REAL. 52 Es la potencia que es entregada por la tubería al generador, ola que un motor trasmite a la bomba para que ésta produzca la carga necesaria. hf H Hb Fig. 2.1 Potencia Teórica y Potencia Real.53 51 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio de 1992,Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo,Editorial: Trillas.,País: México.,Pág. 13-14, 54 52 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio de 1992,Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo,Editorial: Trillas.,País: México.,Pág. 13-14, 54 53 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio de 1992,Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo,Editorial: Trillas.,País: México.,Pág. 13-14, 54 Página 44 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 2.1.3 TURBINAS.54 Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes. Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estator, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación. El número específico de revoluciones, de menor a mayor es: Turbina pelton, Francis, y kaplan. Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una turbina kaplan tiene más probabilidad de que se de en ella el fenómeno de la cavitación que en una francis o una pelton. 55 Fig. 2.1 Rodete de Turbina Pelton.56 54 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina 55 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina 56 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina Página 45 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TURBINA PELTON. 57 Fig. 2.2 Rodete de Turbina Pelton. 58 Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo trasversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de docientos metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas. APLICACIONES 57 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton 58 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton Página 46 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.3 Instalación común de una turbina Pelton con dos inyectores.59 Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos. En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal. Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar TURBINA FRANCIS. 60 59 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton Página 47 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.4 Rodete de una turbina Francis. Fig.2.5 Primitiva turbina Francis.61 La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas. 25 60 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis 61 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis Página 48 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.6 Álabes directores (en color amarillo) configurados para mínimo caudal (vista interior.) 62 Fig. 2.7 Álabes directores (en color amarillo) configurados para máximo caudal (vista interior)63 62 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina 63 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina Página 49 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.8 Rodete de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.64 APLICACIONES. 65 Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas. Además de para la producción de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica. VENTAJAS Y DESVENTAJAS. 66 VENTAJAS • Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento. • Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas. • Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones física también permiten altas velocidades de giro. • Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento. 64 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis 65 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis 66 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis Página 50 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS DESVENTAJAS. 67 • No es recomendado para altura mayores de 800 mt, por las presiones existentes en los sellos de la turbina. • Hay que controlar el comportamiento de la cavitación. • No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.2 TURBINA KAPLAN. 68 Fig. 2.9 Turbina Kaplan vertical.69 Es una turbina de eje vertical que se usa en caidas medias y bajas. su nombre se debe al ingeniero austríaco victor kaplan (1876-1934). 67 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis 68 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan 69 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan Página 51 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.10 Rodete de Turbina Kaplan.70 Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta. Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una hélice, mientras que los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son regulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las turbinas Kaplan son de admisión radial, mientras que las semi-Kaplan puede ser de admisión radial o axial. Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manijas, que son solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidráulico, con la turbina en movimiento. Las turbinas de hélice se caracterizan porque tanto los álabes del rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes. 71 2.1.4 BOMBAS. 72 Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. 70 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan 71 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan 72 http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba hidr%C3%A1ulica Página 52 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Hay tres clases de bombas en uso común del presente: centrífuga, rotatoria y reciprocante. BOMBAS CENTRÍFUGAS. 73 Bombas de tipo Voluta.- El impulsor descarga en una caja espiral que se expande progresivamente, proporcionada en tal forma que la velocidad del líquido se reduce en forma gradual. Por este medio, parte de la energía de velocidad del líquido se convierte en presión estática. Bombas de Tipo Difusor.- Los álabes direccionales estacionarios rodean al rotor o impulsor en. una bomba del tipo de difusor. Esos pasajes con expansión gradual cambian la dirección del flujo del líquido y convierten la energía de velocidad a columna de presión. Bombas de Tipo Turbina.- También se conocen como bombas de vértice, periféricas y regenerativas; en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía. Las bombas del tipo difusor de pozo profundo, se llaman frecuentemente bombas turbinas. Fig. 2.11 Motobomba e impulsor abierto.74 BOMBAS ROTATORIAS. 75 Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. 73 http://images.google.com.mx/imgres?imgurl= 74 http://images.google.com.mx/imgres?imgurl= 75 http://www.monografias.com/trabajos15/tipos-bombas/tipos-bombas.shtml Página 53 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS En lugar de "aventar" el liquido como en una bomba centrifuga, una bomba rota y a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Las bombas rotatorias se clasifican en: 1.- Bombas de Leva y Pistón.- También se llaman bombas de émbolo rotatorio, y consisten de un excéntrico con un brazo ranurado en la parte superior. La rotación de la flecha hace que el excéntrico atrape el liquido contra la caja. Conforme continúa la rotación el liquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la salida de la bomba. 2.- Bombas de Engranes Externos.- Éstas constituyen el tipo rotatorio más simple. Conforme los dientes de los engranes se separan en el lado el líquido llena el espacio, entre ellos. Éste se conduce en trayectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener dientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseños tienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco, que van de la corona y del fondo de los dientes a la perforación interna. Éstos permiten que el liquido se comunique de un diente al siguiente, evitando la formación de presiones excesivas que pudiesen sobrecargar las chumaceras y causar una operación ruidosa. 3.- Bombas de Engrane Interno.- Estas tienen un rotor con dientes cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba. 4.- Bombas Lobulares .- Éstas se asemejan a las bombas del tipo de engranes en su forma de acción, tienen dos o más rotores cortados con tres, cuatro, o más lóbulos en cada rotor. Los rotores se Sincronizan para obtener una rotación positiva por medio de engranes externos, Debido a que el líquido se descarga en un número más reducido de cantidades mayores que en el caso de la bomba de engranes, el flujo del tipo lobular no es tan constante como en la bomba del tipo de engranes. Existen también combinaciones de bombas de engrane y lóbulo. Página 54 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig.2.12 Bomba Rotatorial.76 BOMBAS RECIPROCANTES.77 Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de liquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera. Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia. Pero existen muchas modificaciones de los diseños básicos, construidas para servicios específicos en diferentes campos. Algunas Se clasifican como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidad utilizan movimiento reciprocante de pistones o émbolos para asegurar la acción de bombeo. 76 http:www.monografias.com/trabajos15/tipos-bombas/tipos-bombas.shtml 77 http://tamegca.com/imagenes/FOTO%2023.gif Página 55 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1.-Bombas de Acción Directa.- En este tipo, una varilla común de pistón conecta un pistón de vapor y uno de líquido o émbolo. Las bombas de acción directa se constituyen de simplex (un pistón de vapor y un pistón de líquido, respectivamente) y duplex (dos pistones de vapor y dos de líquido). Los extremos compuestos y de triple expansión, que fueron usados en alguna época no se fabrican ya como unidades normales. 2.-Bombas de Potencia.- Estas tienen un cigüeñal movido por una fuente externa generalmente un motor eléctrico, banda o cadena. Frecuentemente se usan engranes entre el motor y el cigüeñal para reducir la velocidad de salida del elemento motor. Cuando se mueve a velocidad constante, las bombas de potencia proporcionan un gasto casi constante para una amplia variación de columna, y tienen buena eficiencia. El extremo líquido, que puede ser del tipo de pistón o émbolo, desarrollará una presión elevada cuando se cierra la válvula de descarga. Por esta razón, es práctica común el proporcionar una válvula de alivio para descarga, con objeto de proteger la bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, se detienen cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de potencia desarrollan una presión muy elevada antes de detenerse. La presión de parado es varias veces la presión de descarga normal de las bombas de potencia. Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicaciones similares. Fig. 2.13 Instalación de Bombas de potencia.78 78 http:www.monografias.com/trabajos15/tipos-bombas/tipos-bombas.shtml Página 56 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 2.1.5 UNIDADES DE POTENCIA Y ENERGIA UNIDADES DE POTENCIA.79 En física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por: Donde • • • P es la potencia. W es la energía total o trabajo. t es el tiempo. Potencia mecánica es el trabajo realizado por una máquina o una persona en un determinado intervalo de tiempo. • Sistema métrico (SI), la más frecuente es el vatio (W) y sus múltiplos: 1000 W = 1 kW (kilovatio); 1 000 000 W = 1 MW (megavatio), aunque también pueden usarse combinaciones equivalentes como el voltiamperio. • Sistema inglés, caballo de fuerza (HP), cuya equivalencia es 1 HP = 745,69987158227022 W • Sistema técnico de unidades, Kilográmetro por segundo • Sistema cegesimal: ergio por segundo (erg/s) UNIDADES DE ENERGÍA.80 La unidad de energía definida por el Sistema Internacional de Unidades es el Julio. El Julio o Joule (Símbolo J), es la unidad del Sistema Internacional para energía, trabajo y calor. Se define como el trabajo realizado por la fuerza de un newton en un desplazamiento de 1 metro. En unidades elementales, el Julio es: 79 http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia 80 http://es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad) Página 57 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 2.2. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.81 Fig. 2.15 Esquema general de una central hidroeléctrica.82 Una masa de agua en desnivel (en altura) posee una cierta energía potencial acumulada. Al caer el agua, la energía se convierte en cinética (de movimiento) y hace girar una turbina, l cual, a su vez, acciona un generador que produce la corriente eléctrica. Fig. 2.16.- Central hidroeléctrica tipo.83 81 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 82 Ortiz Flores, R. (2001) – Pequeñas centrales hidroeléctricas – Ed. Mc Graw – Hill 83 Grupo Formación de Empresas Eléctricas (1994) – Centrales Hidroeléctricas – Ed. Paraninfo Página 58 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1. Agua embalsada, 2. Presa, 3. Rejillas filtradoras, 4. Tubería forzada, 5. Conjunto turbina-alternador, 6. Turbina, 7. Eje, 8. Generador, 9. Líneas de transporte de energía eléctrica, 10. Transformadores. VENTAJAS DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS:84 1. No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita. 2. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. 3. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo. 4. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos. 5. Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable. 6. La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos. ALGUNAS DESVENTAJAS DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS:85 1. Los costos de instalación iníciales son muy altos. 2. Su ubicación, condicionada por la geografía natural, suele estar lejos de los centros de consumo y obliga a construir un sistema de transmisión de electricidad, aumentando los costos de inversión y de mantenimiento y aumentando la pérdida de energía. 3. La construcción implica mucho tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas. 4. El espacio necesario para el embalse inunda muchas hectáreas de terreno. 5. La disponibilidad de energía puede fluctuar, de acuerdo con el régimen de lluvias, de estación en estación y de año en año. 84 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 85 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas Página 59 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.86 CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE PASADA. Una central de pasada es aquella en que no hay acumulación apreciable de agua para accionar las turbinas. En una central de este tipo las turbinas deben aceptar el caudal natural del río, con sus variaciones de estación en estación. Si este es mayor a lo necesario, el agua sobrante se pierde por rebalse. En ocasiones un embalse relativamente pequeño bastará para impedir esa pérdida por rebalse.87 Fig. 2.17.- Esquema de una central de Pasada.88 Fig. 2.18.- Corte vertical. 89 86 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 87 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio de 1992,Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo,Editorial: Trillas.,País: México.,Pág. 13-14, 54 88 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili 89 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 60 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Normalmente, en una central de pasada, se aprovecha un estrechamiento del río, y la obra del edificio de la central (casa de máquinas) puede formar parte de la misma presa. El desnivel entre "aguas arriba" y "aguas abajo", es reducido, y si bien se forma un remanso de agua a causa del necesario embalsamiento mínimo (azud), no es demasiado grande. Este tipo de central requiere un caudal suficientemente constante para asegurar durante el año una potencia determinada. CENTRAL HIDROELÉCTRICA CON EMBALSE DE RESERVA.90 En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales. El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas. Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses, cosa que sería imposible en un proyecto de pasada. Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos. Fig. 2.19.- Esquema de una central con embalse.91 90 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 91 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 61 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.20.- Corte vertical.92 La casa de máquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra en la fig. 2.5; en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de carácter mediano. 92 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 62 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DE BOMBEO.93 Fig. 2.21 Central de bombeo tipo.94 1. Embalse superior, 2. Presa, 3. Galería de conducción, 4-5. Tubería forzada, 6. Central, 7. Turbinas y generadores, 8. Desagües, 9. Líneas de transporte de energía eléctrica, 10. Embalse inferior o río. Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos de un país. Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel durante el día, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía. Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador. Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda iniciar el ciclo productivo nuevamente. 93 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 94 Grupo Formación de Empresas Eléctricas (1994) – Centrales Hidroeléctricas – Ed. Paraninfo Página 63 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Para ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores. PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA.95 Dentro de los principales componentes tenemos: la presa o represa, los aliviaderos, las tomas de agua, canales de derivación, la chimenea de equilibrio, las tubería forzadas, la casa de máquinas, las turbinas hidráulicas y los generadores. LA PRESA O REPRESA. 96 El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y embalsar las aguas. Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía. Las represas pueden clasificarse por el material empleado en su construcción en: represas de tierra y represas de hormigón; estas últimas son las más utilizadas. Fig. 2.22 Represa de tierra.97 Fig. 2.23 Represa de hormigón. 98 95 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 96 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 97 Autor(es): Viejo Zubicaray y Alonso. ENERGÍA HIDROELÉCTRICA, Editorial: Limusa. 98 Autor(es): Viejo Zubicaray y Alonso. ENERGÍA HIDROELÉCTRICA, Editorial: Limusa. Página 64 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Las represas de hormigón son las más utilizadas y se puede a su vez clasificar en: Fig. 2.24 De gravedad:99 Como se muestra en la figura tienen un peso adecuado para contrarrestar el momento de vuelco que produce el agua. Fig. 2.25b.- De bóveda: 100 99 Álvarez, Fabián. (15 de marzo, 2003) Embalse de Central ... Central Hidroeléctrica 100 Álvarez, Fabián. (15 de marzo, 2003) Embalse de Central ... Central Hidroeléctrica Página 65 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Necesita menos materiales que las de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas. En estas la presión provocada por el agua se transmite íntegramente a las laderas por el efecto del arco.101 LOS ALIVIADEROS.102 Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la represa y pueden ser de fondo o de superficie. La misión de los aliviaderos es liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego. Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra al pie de la represa, llamada de amortiguación. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación. TOMAS DE AGUA. 103 Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías. Estas tomas, además de unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos. CANAL DE DERIVACIÓN. 104 El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central. CHIMENEA DE EQUILIBRIO. 105 Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y álabes de las turbinas. 101 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis 102 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 103 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 104 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 105 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas Página 66 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresión de agua esta encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. TUBERÍAS FORZADAS.106 Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante soleras adecuadas. CASA DE MÁQUINAS.107 Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando. En la figura siguiente tenemos el corte esquemático de una central de caudal elevado y baja caída. La represa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas. Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la turbina se hace por medio de una cámara construida en la misma represa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes. 106 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas 107 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas Página 67 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.26.- Esquema central de caudal elevado.108 1. Embalse, 2. Presa de contención, 3. Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja, 4. Conducto de entrada del agua, 5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas", 6. Turbina hidráulica, 7. Alternador, 8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina, 9. Puente de grúa de la sala de máquinas, 10. Salida de agua (tubo de aspiración), 11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas", 12. Puente grúa para maniobrar compuertas de salida, 13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada. En la fig. 2.27; mostramos el esquema de una central de baja caída y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento. 108 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 68 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.27.- Central de baja caída y alto caudal.109 1. Embalse, 2. Conducto de entrada de agua, 3. Compuertas de entrada "izadas", 4. Conjunto de bulbo con la turbina y el alternador, 5. Puente grúa de las sala de máquina, 6. Mecanismo de izada de las compuertas de salida, 7. Compuerta de salida "izada", 8. Conducto de salida. En la fig. 2.28; que sigue se muestra el corte esquemático de una central de caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas al pie de la presa. El agua ingresa por la toma practicada en el mismo dique, y es llevada hasta las turbinas por medio de conductos metálicos embutidos en el dique. 109 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 69 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.28- Central de caudal y salto medianos.110 1. Embalse, Toma de agua, 3. Conducto metálico embutido en la represa, 4. Compuertas de entrada en posición de izada, 5. Válvulas de entrada de agua a turbinas, 6. Turbina, 7. Alternador, 8. Puente grúa de la central, 9. Compuerta de salida "izada", 10. Puente grúa para izada de la compuerta de salida, 11. Conducto de salida. En la fig. 2.29; tenemos el esquema de una central de alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye alejadas de la presa. El agua llega por medio de una tuberia a presión desde la toma, por lo regular alejada de la central, y en el trayecto suele haber una chimenea de equilibrio. La alta presión del agua que se presenta en estos casos obliga a colocar válvulas para la regulación y cierre, capaces de soportar el golpe de ariete. 110 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 70 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.29 Central de alta presión y bajo caudal. 111 1. Conducto forzado desde la chimenea de equilibrio, 2. Válvula de regulación y cierre, 3. Puente grúa de sala de válvulas, 4. Turbina, 5. Alternador, 6. Puente grúa de la sala de máquinas, 7. Compuertas de salida, en posición "izadas", 8. Puente grúa para las compuertas de salida, 9. Conducto de salida (tubo de aspiración). TURBINAS HIDRÁULICAS.112 Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas: • La rueda Pelton, que es adecuada para saltos grandes • La turbina Francis, adecuada para salto medianos • La de hélice o turbina Kaplan, muy útil en saltos pequeños. 111 112 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas Página 71 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina. Fig. 2.30 Esquema de la rueda Pelton.113 1. Rodete, 2. Cuchara, 3. Aguja, 4. Tobera, 5. Conducto de entrada, 6. Mecanismo de regulación, 7. Cámara de salida. Un chorro de agua, convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvia sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubería. 113 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili Página 72 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas. Fig. 2.31 Rodete y cuchara de una turbina Pelton.114 Fig. 2.32 Turbina Pelton y alternador. 115 114 Autor(es): Camilo B. Rodríguez. MAQUINAS HIDRÁULICAS - VOL. I y II. Editorial: Centro de Estudiantes de Ingeniería -U.N.L.P. 115 Autor(es): Camilo B. Rodríguez. MAQUINAS HIDRÁULICAS - VOL. I y II. Editorial: Centro de Estudiantes de Ingeniería -U.N.L.P. Página 73 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de reacción. Fig. 2.33.- Turbina Francis.116 En la fig. 2.33; podemos apreciar la forma general de un rodete y el importante hecho de que el agua entre en una dirección y salga en otra a 90º, situación que no se presenta en las ruedas Pelton Las palas o álabes de la rueda Francis son alabeadas. Un hecho también significativo es que estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona distribuidora del agua. Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una cámara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de entrada del agua.117 El rodete tiene los álabes de forma adecuada como para producir los efectos deseados sin remolinos ni pérdidas adicionales de carácter hidrodinámico. 116 Viejo Zubicaray, M. (2000) – Bombas: teoría, diseño y aplicaciones – Ed. Limusa 117 http://www.todomotores.cl/mecanica/potencia.htm Página 74 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.34 Turbina Kaplan.118 En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial por los elementos del rodete, tendremos las turbinas de hélice o Kaplan. Las turbinas Kaplan tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la carga. Estas turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas velocidades de rotación. DESARROLLO DE LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA.119 La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad. La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX y lo que va corrido del actual siglo XXI. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales. 118 Zoppetti Júdez, G. (1974) – Centrales Hidroeléctricas – su estudio, montaje, regulación y ensayo – Ed. Gustavo Pili 119 www.profesorenlinea.cl/fisica/CentralesHidroelectricas Página 75 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de agua fluente o de pasada. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá. Fig. 2.35 Represa de Itaipú.120 A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene el 60 por ciento de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99 %), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. La represa de Itaipú es un proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del río Paraná, y su central hidroeléctrica, la mayor del mundo, de la que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el conjunto regional. Con una altura de 196 m, y 8 km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actúan como cataratas artificiales. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.121 En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados. 120 de Viejo Zubicaray "CENTRALES HIDROELECTRICAS" Ed. McGraw-Hill. 121 http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba hidr%C3%A1ulica Página 76 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 2.2.1. ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA PLANTA HIDROELÉCTRICA.122 En la fig.2.26 se representa esquemáticamente una planta hidroeléctrica con sus elementos principales, la función de cada uno de ellos se explicará posteriormente. Fig.2.26 Elementos Principales de una Planta Hidroeléctrica .123 LA PRESA O AZUD. 124 Es el primer elemento encontramos en un aprovechamiento hidroeléctrico, la cual se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Las presas, por lo regular cumplen la especialidad de embalsar el agua, y los azudes de desviar el río. Con estas construcciones se nombra un determinado nivel de agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma, ese nivel se aprovecha para producir energía. VASO. 125 Constituye los niveles mínimos normales y máximos del agua en la presa, de manera tal que pueda operar eficientemente el sistema hidroeléctrico. Este volumen almacenado se determina en función de la magnitud de las aportaciones del río y del tipo de operación que se asigne a la planta. Estos niveles de operación o cotas de operación están estrechamente también con la altura de la entrada de la obra de toma. 122 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 123 Gardea V, H. (1992). "Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo" 124 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 125 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml Página 77 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TOMA DE AGUA. 126 Son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las máquinas por medio de canales o cañerías. Estas obras son muy variadas, según los requerimientos y tipos de presas. En todos los casos de tomas de agua, es preciso colocar órganos de cierre para detener el paso de la misma cuando es menester, estos órganos son llamados compuertas. CORTINA. 127 Son utilizadas como elementos artificiales diseñados o construidos de manera tal de poder represar un determinado caudal de agua para poder posteriormente poder reiniciar el proceso de la obtención de la hidroenergía. Son construidos generalmente de tierra, arcilla, arena, grava u otros materiales análogos, también es utilizado el concreto. TÚNEL DE CONDUCCIÓN Y TUBERÍA DE PRESIÓN.128 Son utilizados para la conducción o canalización del agua desde la toma hasta la turbina específicamente. Los espesores o diámetros de estos canales o tuberías son calculados a través de fórmulas en función de las diferentes presiones necesarias para proporcionar un golpe positivo a los arietes de las turbinas para así poder hacer girar el rotor del generador con las revoluciones por minutos necesarias para poder generar energía eléctrica. POZO DE OSCILACIÓN. 129 Es una conducción destinada a la limitación de la presión, que por causa del cierre de la conducción, puede tomar valores elevados. Esto es debido a que este tipo de instalación, con una larga conducción de agua al cerrarse las válvulas de entradas del agua a las turbinas, la masa del líquido circulante tiene una elevada energía cinética, que es menester desarrollar para evitar elevados golpes de ariete. El pozo de oscilación no es más que un adecuado depósito que permite elevar el nivel de agua, transformando la energía cinética en energía potencial. CASA DE MÁQUINAS. 130 Es la construcción donde se ubican las máquinas y los elementos de regulación y comando. Puede ser exterior o subterráneo y posee generalmente dos niveles que son la planta o piso de generadores y planta baja o piso de turbina. En el piso de generadores se encuentran estos aparatos con sus reguladores de velocidad y en la parte superior de este nivel se instala generalmente una grúa viajera 126 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 127 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 128 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 129 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 130 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml Página 78 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS que se utiliza durante el montaje y también para hacer reparaciones, tanto de los generadores como de los rodetes. Por esta última razón el techo de la casa de máquinas debe ser suficientemente alto para que la grúa pueda transportar libremente los rotores o los rodetes por encima de los que están ya colocados. En el piso de las turbinas se encuentra el aspiral de alimentación, el distribuidor y el rodete de las máquinas. Las dimensiones de la casa de las máquinas están estrechamente relacionadas con el piso de turbina a utilizar. GENERADOR. 131 Es una máquina eléctrica generadora de corriente alterna que consiste en un dinamo cuyo inducido es un carrete abierto que gira entre uno o varios pares de polos alternados (norte-sur), o bien, inversamente, en un electroimán multipolar que gira dentro del inducido. Se encuentra ubicado dentro de la casa de máquina. TURBINA. 132 Como ya se mencionó anteriormente la turbina no es más que una máquina que aprovecha directamente la fuerza de un fluido, generalmente agua o vapor, mediante la reacción que produce una rueda de paletas helicoidales. Se encuentra acoplada al generador dentro de la casa de máquinas. DESFOGUE. 133 Es llamado también tubo de aspiración, y sirve como conducto de salida del agua, que pasa por el ariete de la turbina y produce el movimiento de la misma. 2.2.2. FACTOR DE PLANTA.134 Es una indicación de la utilización de la capacidad de la planta en el tiempo. Es el resultado de dividir la energía generada por la planta, en un periodo de tiempo dado (generalmente se toma anual), sobre la energía que hubiera podido generar la planta si lo hiciera a plena carga durante todo el período. A modo de ejemplo, si la planta genera a máxima capacidad unos 1000KW pero la mayor parte del tiempo está generando en promedio 600KW, el factor de planta es 600/1000, es decir, 0.6 ó 60%. 131 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 132 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 133 http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml 134 http://es.wikipedia.org/wiki/Factor_de_planta Página 79 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 2.2.3 SITUACION ELECTRICA DEL PAIS.135 El Director General de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), Alfredo Elías, señaló que la planeación estratégica de las obras de infraestructura que requiere nuestro país para retomar la senda del desarrollo, debe contemplar la inclusión de cuatro aspectos que son vitales para el funcionamiento de los proyectos: la resolución de los problemas sociales; la protección del medio ambiente; la planeación integral de las obras de infraestructura, y la formación y capacitación de ingenieros mexicanos. Al participar en la sesión de Clausura y Presentación de Conclusiones del Seminario “Planeación Estratégica de la Infraestructura en México 2010-2035”, organizado por el Colegio de Ingenieros Civiles de México (CICM), el titular de la CFE precisó que, con base en la experiencia de la empresa, dos aspectos fundamentales que deben reforzarse para garantizar la viabilidad de los proyectos y que puedan llevarse a cabo, son la atención de la problemática social y la protección del medio ambiente. Puntualizó que deben considerarse los vínculos entre la construcción de infraestructura y las preocupaciones de la comunidad en el México plural y diverso en el que vivimos, y que este aspecto debe formar parte integral desde el inicio de los proyectos de infraestructura. Añadió que las grandes obras que requiere el desarrollo nacional y que benefician a millones de mexicanos, con frecuencia son vistas con recelo por parte de los habitantes de las zonas en que se construyen, lo que puede conducir al freno de esos proyectos. Son más, afirmó, los proyectos frenados por la desatención de los programas sociales, que los que están frenados por falta de capacidad técnica o financiera. Por ello, reiteró que cada día es más importante que los proyectos tengan desde su inicio una vertiente de planeación de las acciones en materia social, que contemple la generación de empleos para la gente de la comunidad -que es sin duda el principal elemento para atender los problemas sociales- aparejada con obras de infraestructura complementaria de beneficio social, como caminos vecinales, escuelas, puentes, obras de agua y saneamiento, hospitales y clínicas, que pueden mostrar a la población que la construcción de un proyecto le reporta un beneficio concreto. Enfatizó que la gestión ambiental debe tener un enfoque más importante en la planeación de proyectos, que contemple desde su diseño las consideraciones ambientales normativas y programáticas, y creando los mecanismos para garantizar su atención adecuada. El tercer eje, explicó, es generar programas de obras de largo plazo, similar al POISE de CFE, en sectores como agua, petróleo y carreteras, en los que se precise cuándo, dónde y qué obras se van a realizar en los próximos 10 o 15 años. Pero esto no debe hacer olvidar que la planeación estratégica de infraestructura es más que la simple suma de programas sectoriales, sino que es necesario insertarlos en un marco macro con una visión y objetivos claros que garantice la compatibilidad física y temporal de las obras que se realizan en diferentes campos. Por último, resaltó que la planeación estratégica de infraestructura también debe contemplar la formación y capacitación de recursos humanos para llevar a cabo las obras. México, indicó, necesita más ingenieros y también mejores ingenieros, con capacidad de innovación y liderazgo. 135 http://www.grupohoba.com Página 80 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Aseguró que como resultado de la iniciativa de los ingenieros de establecer el catálogo de los proyectos que México requiere, el tema de la infraestructura se colocó en el centro de la discusión nacional y fue insumo fundamental para la elaboración del Programa Nacional de Infraestructura del Gobierno Federal, con lo que la ingeniería mexicana ha retomado un papel de liderazgo en la discusión de los grandes temas nacionales. Por su parte, el presidente del CICM, el Ing. Luís Zárate, señaló que la planeación de la obra pública en nuestro país es fundamental, ya que se cuenta con una inversión público-privada sin precedente para infraestructura, pero se debe enfocar estratégicamente y evaluar sus beneficios, estableciendo una política de Estado, a fin de generar mejores condiciones de vida y un desarrollo sustentable. Afirmó que como política para contrarrestar los efectos de la recesión, la inversión en infraestructura es una de las estrategias más acertadas, ya que apoya la creación de empleos y con ello el bienestar nacional. En el evento también estuvieron presentes el Ing. Gumaro Lizárraga Martínez, Coordinador del Grupo México 2030; el Ing. Carlos Martín del Castillo, Coordinador del Seminario, y el Ing. Pablo Realpozo del Castillo, presidente de la Unión Mexicana de Asociaciones de Ingenieros (UMAI). 2.3. INSTALACIONES DE BOMBEO. Los sistemas de bombeo son parte primordial en todos los sistemas de agua ya que el diseño y la operación y así mismo el mantenimiento necesario que en muchas ocasiones se realiza por personal no capacitado hace inadecuado e ineficiente la instalación de bombeo que a su vez implica riesgos graves tales como ineficiencia del suministro de agua hacia determinadas comunidades o poblaciones y en ocasiones hasta la interrupción por completo del suministro de agua. Cualquier instalación o sistema de bombeo esta constituida por dos partes perfectamente bien identificadas. - El lado de succión: Este comprende la parte de la tubería entre la válvula antirretorno y la boca de entrada de la bomba, en este lado no interviene la potencia de la bomba y la operación de llenado con fluido de la cámara de la bomba es solo responsabilidad de la presión atmosférica real. - El lado de impulsión: Comprende entre la salida de la bomba y la salida del agua por la parte distal de la instalación, el flujo en este lado es exclusivamente con la potencia de la bomba. Página 81 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 2.27 Sistema de Bombeo.136 Para el diseño de una instalación de bombeo de gasto considerable existe ciertos parámetros importantes como: - Numero de bombas instaladas. - Diseño de la succión (cisterna o Bocas de succión) - Tuberías (Dimensionamiento y elección del material) - Accesorios (válvulas, derivaciones, etc...) Selección de la tubería de impulsión. Las líneas de impulsión deben de considerar una variedad de parámetros como son el tipo de fluido a transportar, caudal, longitud, punto de carga y descarga para la mejor elección según la condición a la cual será sometida. Partiremos en la elección del material de la tubería el cual será escogido teniendo en cuenta factores económicos, características de resistencia y disponibilidad de accesorios mencionaremos algunas de las más usadas como: - Tubería de Acero: Generalmente son usadas por excelencia para medianas y grandes alturas, y además como tubería de presión en centrales hidroeléctricas. 136 http://www.grupohoba.com Página 82 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS - Tubería de PVC: Usadas generalmente para redes de distribución de agua potable, sistema de redes domiciliarias, ampliaciones entre otras, cuenta con una variedad de espesores que resisten de 5 hasta 15 bares de presión el cual se debe determinar según la altura de impulsión según sea el caso. Diámetro de la tubería: Para toda elección de diámetro se tiene que considerar un análisis técnico económico; de aquí el nombre de “Diámetro Económico” como se mostró con anterioridad. Criterio técnico: La tubería que soportara la presión sometida debida a golpe de ariete, perdidas por fricción o por carga externa si es enterrada, deberá ser determinada según la operación a la cual será sometida la red o redes de tuberías a trabajar. Este criterio es muy importante ya que solo así se determinara una operación segura y eficiente de todos los sistemas a instalar y reducirá posibles mantenimientos por fallas lo que a su vez reducirá los costos. Estudio de Diámetro Económico: El diseño de la línea de impulsión requiere de varias alternativas básicamente en la selección del diámetro de la tubería, así como de su calidad y resistencia, lo que nos determina una optimización en los costos, la selección de la tubería depende mucho de la aplicación como un factor a considerar en un buen sistema de bombeo. El bombeo a bajas velocidades requiere de mayores diámetros de tubería que encarece la instalación, si se bombea a grandes velocidades, disminuye notablemente el diámetro de tubería rebajando el costo de la instalación pero también aumenta las perdidas de energía debido a que estas varían directamente con la velocidad. 2.3.1. TIPOS DE INSTALACION.137 La parte esencial de una instalación de bombeo es determinar la forma en la que deben de instalarse las bombas de manera que el sistema cumpla las condiciones posibles de acuerdo a los requerimientos existen dos tipos de arreglos en serie y en paralelo. - Sistemas en Serie: Ocurre cuando 2 o más bombas están acopladas en serie, ya que el tubo de impulsión de una de ellas esta unido al de succión de la siguiente y puede ser de forma sucesiva. Ya que las diversas bombas impulsan el mismo gasto, mientras que la altura manométrica total será la suma de las alturas manométricas correspondientes de cada una de las bombas. Se le llama así cuando existe mas de una bomba a lo largo de una tubería y el gasto es el mismo para todas las bombas y la carga total del sistema es la suma de las cargas producidas por cada una de las bombas que forma el sistema y es usado cuando se tiene una carga hidráulica muy grande. 137 http://www.informatique.com.mx Página 83 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS DEPOSITO SUPERIOR BOMBA 1 BOMBA 2 N.S.L.A. DEPOSITO INFERIOR Fig. 2.28 Sistema de Bombeo en Serie.138 - Sistemas en Paralelo: Cuando sus entradas y salidas están unidas entre si, de esta forma la toma de una tubería de succión por cada bomba y las descargas de cada bomba se unen a una sola tubería de mayor diámetro que conduce el liquido al lugar deseado, la carga total del sistema es de una de las bombas y por lo general todas la bombas son iguales y el gasto que se obtiene es la suma de los gastos de cada bomba. Este sistema es conveniente cuando es mas el requerimiento del gasto que los de carga o en su defecto si en la operación existen variaciones significativas de gasto y pueden desconectarse una o varias bombas sin interrumpir el gasto. 138 http://www.informatique.com.mx Página 84 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS DEPOSITO SUPERIOR BOMBA 1 BOMBA 2 N.S.L.A. DEPOSITO INFERIOR Fig. 2.29 Sistema de Bombeo en Paralelo.139 2.3.2 ELEMENTOS DE UNA INSTALACIO DE BOMBEO.140 Componentes de un sistema de bombeo. El conjunto constituido por canalizaciones y por los medios mecánicos de elevación se les denomina sistemas de bombeo y sus partes son las siguientes: tuberías de succión Conjunto motobomba tubería de descarga La tubería de succión se sumerge en el pozo del mismo nombre y va hasta la boca de la entrada de la misma bomba. La tubería de descarga parte de la boca de salida de la bomba y va al depósito inferior. 139 http://www.argoslt.com.mx 140 http://www.argoslt.com.mx Página 85 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD III TEORÍA GENERAL DE LAS TURBO MÁQUINAS. Página 86 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS.141 Una máquina es un dispositivo que produce movimiento. En general, se busca que la máquina haga girar un eje o flecha, de manera que ésta accione algún dispositivo cuya utilización nos interese. Cuando la máquina es accionada por la fuerza del agua o trasmite a ella su energía se dice que es una máquina hidráulica. En el primer caso se habla de una turbina y en el segundo de una bomba, que son los dos tipos clásicos de máquinas hidráulicas. Al ser accionadas por la energía del agua, las turbinas producen energía mecánica que es transformada en eléctrica al trasmitir su movimiento a un generador. Las bombas, por su parte, reciben energía mecánica originada en la mayoría de los casos por un motor eléctrico y crean una carga suficiente para impulsar el gasto deseado en el proyecto. En la figura 3.1 se indican esquemáticamente estos principios. Fig. 3.1 Máquinas hidráulicas (pág. 51).142 141 Humberto Gardea Villegas, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, 30 de junio 1992, Editorial Trillas, México, 290 págs. 142 Humberto Gardea Villegas, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, 30 de junio 1992, Editorial Trillas, México, 290 págs. Página 87 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.2 ANTECEDENTES HISTÓRICOS.143 Las primeras turbinas hidráulicas fueron ruedas accionadas por corrientes naturales y empezaron a utilizarse unos 3000 años a.C., para trasmitir su energía mecánica a molinos de trigo. Estas ruedas se usaron en Egipto, India, China, Siria y, posteriormente, en Grecia y Roma. Por lo que se refiere a los mecanismos para elevar agua (bombas), es posible que el primero con utilidad práctica haya sido el tornillo de Arquímedes que data de unos 250 a.C. Unos 100 años más tarde, apareció la primera turbina de vapor, inventada por Herón de Alejandría y que por cierto no tuvo ninguna aplicación, ya que seguramente era sólo una curiosidad científica, probablemente considerada en la época como un juguete; aunque tal vez, si el invento se hubiera difundido ampliamente – lo que no era posible en aquel entonces – su desarrollo habría sido grande aun con los conocimientos entonces disponibles. Posteriormente, en el siglo VI aparecieron en Europa los molinos de viento y no hubo nada nuevo durante 12 siglos, hasta que en 1730, el matemático suizo Daniel Bernoulli impulsó la hidrodinámica con su conocido teorema , y Leonardo Euler en 1750 explicó matemáticamente el mecanismo de trasmisión de la energía hifráulica a las máquinas e introdujo el concepto de cavitación. La primera turbina, el tipo de las que conocemos ahora, fue diseñada por el investigador alemán Andreas Segner en 1750, quien probablemente se inspiró en la turbina de Herón. Sin embargo, el primer diseño práctico de una turbina de reacción fue presentado en 1833 por el ingeniero francés Benoit Fourneyron. Se trataba de una máquina diseñada para una carga de 108 m, potencia de 48 CV y velocidad de giro de 2300 r.p.m. Fourneyron se basó en las ideas de su maestro Claude Burdin, quien era un teórico brillante, aunque le faltaba la habilidad del constructor. Asimismo, a Brdin se debe el término turbina, ya que fue él quien lo utilizó por primera vez. Por último, al hablar de turbinas hidráulicas es esencial mencionar a tres inventores fundamentales: James B. Francis (inglés), Lester A. Pelton (estadounidense) y Víctor Kaplan (checo), quienes presentaron diseños de los tres tipos clásicos de turbinas en 1847, 1889 y 1914, respectivamente. Hasta la fecha, sus diseños son utilizados por los fabricantes, quienes han introducido obviamente algunas mejoras, pero conservando las ideas originales y, desde luego, el nombre de sus inventores. En el cuadro 3.1 se presenta una síntesis de la evolución de las máquinas hidráulicas. 143 Humberto Gardea Villegas, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, 30 de junio 1992, Editorial Trillas, México, 290 págs. Página 88 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Cuadro 3.1 Desarrollo histórico de las máquinas hidráulicas (pág. 53).144 3000 a.C. Ruedas para molinos de trigo usando agua. Egipto, India, China, Siria y después Grecia y Roma. 1000 a.C. Primeros mecanismos para elevar agua. Egipto. 250 a.C. Arquímedes de Siracusa, Discípulo de Euclides, en Alejandría diseña el llamado “tornillo de Arquímedes” para elevar el agua. 150 a.C. Turbina de reacción. Herón de Alejandría. S. VI Molinos de viento en Europa. S. XVIII Bases teóricas de la hidráulica. 1730 Daniel Bernoulli (1700-1783). “Teorema”. Suiza. 1750 Andreas Segner (alemán). Primera turbina de reacción, inspirada en la de Herón (no práctica). 1750, 1751 y 1754 Leonardo Euler (1707-1783). Teoría general de las máquinas hidráulicas. Concepto de cavitación. 1824 Claude Burdin (1790-1873). Academia de Ciencias de París. Autor del término “turbina”. Diseño teórico de una turbina de reacción. 1827 Benoit Fourneyron, discípulo de Burdin, con base a las ideas de su maestro, presentó el primer diseño práctico de una turbina de reacción. Obtuvo un premio en 1833 en Francia. Su turbina tenía los siguientes datos: H=108 m; P=48 CV y N = 2300 r.p.m. 1847 James Bicheno Francis (1815-1892), nacido en Southleigh, Inglaterra, emigró a EUA, donde se desarrolló profesionalmente. En 1847 presentó su turbina inspirada en la de Fourneyron. 1889 Lester Allen Pelton (1829-1908), nacido en Vernoillion, Ohio, EUA, después establecido en Camtonville, California, presentó en la Universidad de California un diseño de rueda que patentó en 1880 y con la que obtuvo un premio. 1914 Victor Kaplan, Imperio Austro-Húngaro, Cd. De Brno, actual Checoslovaquia. Diseño una turbina de hélice con aspas fijas: “hélice” y luego diseño la de aspas móviles: “Kaplan”. 144 Humberto Gardea Villegas, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, 30 de junio 1992, Editorial Trillas, México, 290 págs. Página 89 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.3 CONCEPTO DE CARGA NETA.145 Se llama carga neta de succión requerida a la altura de columna que se requiere para hacer escurrir el líquido hacia la bomba sin producir inconvenientes de cavitación 3.3.1 TURBINAS.146 Una turbina es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, Fig. 3.2 Turbina Pelton.147 3.3.2 BOMBAS 148 Una bomba hidráulica es un dispositivo tal, que recibiendo energía mecánica de una fuente exterior, la transforma en una energía de presión transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través de un líquido cuyas moléculas estén sometidas precisamente a esa presión. 145 Humberto Gardea Villegas, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, 30 de junio 1992, Editorial Trillas, México, 290 págs. 146 http://members.tripodcom/mghd_ita.wx/maquinas4.htm 147 http://www.exatecno.netampliacion/energia/turbinapelton.htm 148 http://members.fortunecityes/100pies/mecanica/hidraulicabombas.htm Página 90 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.4 ELEMENTOS PRINCIPALES.149 TURBINAS Como sea mencionado anteriormente la turbina, es un motor constituido por una o varias ruedas de alabes sobre las cuales actúa la fuerza viva de un fluido, que al desviarlos lateralmente, provoca la rotación de aquellas y permite disponer de energía mecánica en su árbol “rotor embobinado”; se puede mencionar cuatro turbinas principales que son.• Pelton. • Francis. • kaplan. • Vapor y gas. BOMBAS Recordemos las bombas son máquinas que sirven para extraer, elevar o inyectar agua u otros fluidos o gases. Desde la antigüedad han existido las bombas para elevar líquidos, se fundan en la presión atmosférica, es una máquina manual constituida por un embolo y unas válvulas, que permitían aspirar y expulsar el agua, son conocidas como.- • Bomba aspirante. • Bomba impelente. • Bomba aspirante-impelente o mixta. • Rosca de Arquímedes Actualmente las bombas son máquinas operadas por energía eléctrica y constan de una rueda provista de alabes, animada de un movimiento de rotación, tubería de aspiración, el órgano colector o espiral y la tubería de salida. Actualmente se denominan turbo-bombas, son las bombas que más se aplican en la industria, hogar, negocios etc. Las razones son las siguientes 149 Miguel Reyes Aguirre, 1998. Curso de máquinas hidráulicas; Alfaomega , México págs. 24, 84, 187, 188, 189; Página 91 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS • Son aparatos giratorios • No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. • La impulsión eléctrica del motor que las mueve es bastante sencilla. • Para una operación definida el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador. • Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias. Se denominan como bombas por la dirección del flujo.- BOMBAS CENTRIFUGAS • Axial. • Radial. • Mixta. • Bomba hélice. • Bomba hélice centrífugas o helicocentrífugas. 3.4.1 TURBINAS TURBINA PELTON.150 Para saltos muy grandes (de 150 a cerca de 2200 m) funciona con agua elevada a presión, que desciende por condiciones forzadas y es proyectada por unas toberas, en choros violentos, sobre los alabes o paletas en forma de concha de una rueda de eje horizontal, es por consiguiente, una turbina que funciona por “Acción”. 150 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 92 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.3 Tipos de rodetes de Turbina Pelton.151 ELEMENTOS PRINCIPALES 1.- Rodete. 2.- Cuchara. 3.- Aguja. 4.- Tobera. 5.- Conducto de entrada. 6.- Mecanismo de regulación. 7.- Cámara de salida. Fig. 3.4 Elementos de Turbina Pelton.152 151 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 152 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo3.htm Página 93 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.5 Instalación común de una Turbina Pelton con dos inyectores. 153 TURBINA FRANCIS Para saltos pequeños de agua menores (de 25 a cerca de 380 m) funciona por “Reacción”, consta de un conductor circular de diámetros mayor y menor que comunica con el distribuidor por la periferia del mismo; el distribuidor consiste en una corona de paletas directrices que sirven para orientar y proyectar los chorros de agua sobre los alabes del rotor, así como para regular el caudal; el rotor tiene los alabes dotados de doble curvatura, de modo que el agua que entra por toda la periferia procedente del distribuidor, después de haber empujado los alabes, es desviada axialmente; en comparación con la turbina Pelton, de igual altura en la caída de agua esta gira con mayor rapidez, pero su construcción y uso plantean problemas cada vez más graves al aumentar su altura de salto de agua y por otra parte si su caída de agua fuera muy pequeña, el rendimiento de la turbina seria deficiente por tal motivo incosteable 153 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 94 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.6 Armado en los talleres de la tercera turbinad de ixtapatongo, marca voith de 76,000 c.v,. 20.35 m3/s,. 311 m. daltura, 500 r.p.m., DI= 2.365.154 154 Miguel Reyes Aguirre, 1998.Curso de máquinas hidráulicas; Alfaomega, México:págs. 24, 84, 187, 188, 189; México: Página 95 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.7 Esquema de los elementos de una Turbina Francis.155 155 Miguel Reyes Aguirre, 1998.Curso de máquinas hidráulicas; Alfaomega, México:págs. 24, 84, 187, 188, 189; México: Página 96 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TURBINA FRANCIS Fig. 3.8 Esquema de los elementos en la instalación de una Turbina Francis, caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas al pie de la presa.156 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 156 Embalse Toma de agua Conducto metálico embutido en la presa Compuertas de entrada en posición de izada Válvulas de entrada de agua a turbinas Turbina Alternador Puente grúa de la central Compuerta de salidas "izada" Puente grúa para izada de la compuerta de salida Conducto de salida. http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo3.htm Página 97 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TURBINA FRANCIS Fig. 3.9 Alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye alejada de la presa.157 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Conducto forzado desde la chimenea de equilibrio Válvula de regulación y cierre Puente grúa de sala de válvulas Turbina Alternador Puente grúa de la sala de máquinas Compuertas de salida, en posición "izadas" Puente grúa para las compuertas de salida Conducto de salida (tubo de aspiración) ELEMENTOS PRINCIPALES TURBINA FRANCIS • Deflectores orientables. • Rueda de alabes. 157 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo3.htm Página 98 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS • Servo motor. • Cuerpo del “distribuidor”. • Salida de agua. TURBINA KAPLAN 158 Este tipo de turbina tiene palas de paso variable (en forma de hélice de eje generalmente vertical), lo cual ofrece un medio suplementario de afinar la regulación obtenida con las paletas del distribuidor. De ahí que esta turbina permita obtener los mejores rendimientos en los saltos más bajos (de 6 a 70 m), sujetos a variaciones de nivel. Fig. 3.10 Turbina Kaplan.159 ELEMENTOS PRINCIPALES 158 Miguel Reyes Aguirre, 1998.Curso de máquinas hidráulicas; Alfaomega, México:págs. 24, 84, 187, 188, 189; México: 159 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 99 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS • Eje. • Cuerpo. • Palas orientables. • Salida del agua. TURBINA KAPLAN Fig. 3.11 Esquema de los elementos en la instalación de una Turbina Kaplan, corte esquemático de una central de caudal elevado y baja caída. La presa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas.160 1. 2. 3. 4. 160 Embalse Presa de contención Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja Conducto de entrada del agua http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo3.htm Página 100 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas". 6. Turbina hidráulica 7. Alternador 8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina 9. Puente de grúa de la sala de máquinas. 10. Salida de agua (tubo de aspiración) 11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas" 12. Puente grúa para maniobrar compuerta salida. 13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada. TURBINA KAPLAN Fig. 3.12 Esquema de los elementos en la instalación de una Turbina Kaplan, de baja caída y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento.161 161 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo3.htm Página 101 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Embalse Conducto de entrada de agua Compuertas de entrada "izadas" Conjunto de bulbo con la turbina y el alternador Puente grúa de las sala de máquina Mecanismo de izaje de las compuertas de salida Compuerta de salida "izada" Conducto de salida ESQUEMA DE LOS ELEMENTOS EN LA INSTALACIÓN DE UNA TURBINA Y GENERADOR. Fig. 3.13 Foto: Xabier Cabezón (2006), llegada de la tubería forzada a la turbina y alternador, mini-central hidráulica.162 162 Http://www.leitzaran.net/centrales/bertxin.html (Mini Hidráulica en el País Vasco)-Ente Vasco de Energía (EVE)-Bilbao, 1995. Página 102 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CENTRAL HIDROELÉCTRICA Fig. 3.14 Elementos de funcionamiento de una central Hidroeléctrica.163 1.- Agua Embalsada, 2.- Presa, 3.- Rejas Filtradoras, 4.- Tubería Forzada, 5.- Conjunto de Grupos Turbina-Alternador, 6.- Turbina, 7.- Eje, 8.-Generador, 9.-Líneas de Transporte de Energía Eléctrica, 10.- Transformadores. 163 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo3.htm Página 103 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TURBINAS EÓLICAS (AEROGENERADOR)164 Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica. La energía cinética del viento es transformada en energía mecánica por medio de la rotación de un eje. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para moler, como ocurría en los antiguos molinos de viento, o para bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energía mecánica puede ser transformada en eléctrica mediante un generador eléctrico (un alternador o dinamo). La energía eléctrica generada se puede almacenar en baterías o utilizarse directamente. Fig. 3.15 Esquema de una turbina eólica.165: 1.- Cimientos 2.- Conexión a la red eléctrica 3.- Torre, 4.- Escalera de acceso, 5.- Sistema de orientación, 6.- Góndola, 7.- Generador, 8.Anemómetro, 9.- Freno, 10.- Transmisión, 11.- Pala, 12.- Inclinación de la pala, 13.- Buje del rotor. 164 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 165 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 104 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.16 Instalación de la torre para una turbina de 3 mw.166 Fig. 3.17 Palas de un aerogenerador.167 Fig. 3.18 Detalle del buje y generador de una turbina eólica. Granja eólica Ravensberg/Krempin Alemania.168 166 Siemens México 2007 Webmaster http://www.siemens.com.mx/powergeneration/siemens/1_1_6_82_30.aspx 167 Siemens México 2007 Webmaster http://www.siemens.com.mx/powergeneration/siemens/1_1_6_82_30.aspx 168 Siemens México 2007 Webmaster http://www.siemens.com.mx/powergeneration/siemens/1_1_6_82_30.aspx Página 105 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.19 Escalera de acceso a la góndola de un aerogenerador. Obsérvese el cable de seguridad para el operario que ascienda.169 LAS PARTES PRINCIPALES DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL SON:170 • ROTOR: las palas del rotor, construidas mayormente en materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsión en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios mw. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos. 169 Siemens México 2007 Webmaster http://www.siemens.com.mx/powergeneration/siemens/1_1_6_82_30.aspx 170 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 106 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS • CAJA DE ENGRANAJES O MULTIPLICADORA: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico. • GENERADOR: existen diferente tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser síncronos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. • LA TORRE: ubica el generador a una mayor altura para permitir el giro de las palas y donde los vientos son de mayor intensidad y transmite las cargas del equipo al suelo. • SISTEMA DE CONTROL: responsable del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la Potencia total entregada por el equipo. GENERADOR171 La construcción del rotor del generador y las espirales del estator están especialmente diseñadas para alta eficiencia en cargas parciales. El generador está acoplado con un dispositivo de ventilación separado controlado por un termostato, y asegurando en enfriamiento muy eficiente el generador puede ser operado a temperaturas bien por debajo del nivel normal de la clase del aislante estándar, proveyendo de esta manera el mejor tiempo de vida útil del aislante de la espiral. 171 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 107 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig.3.20 Elementos de un Generador.172 1.- espiral, 2.- freno de la espiral, 3 .-aspa, 4.- balero de engranaje del paso, 5 .cubo del rotor, 6 .-engranaje principal, 7 .-eje principal, 8 .-caja de transmisión (engranaje), 9.- freno de disco, 10.- Coples, 11 .-grúa de servicio, 12.- generador, 13 .-sensores meteorológicos 14.- balero de oscilación de flujo, 15.- engranaje de flujo, 16.- anillo de flujo, 17.torre, 18.- platina de la nacela, 19.- cubierta, 20.- filtro de aceite, 21.- filtro de aceite, 22.- ventilador del generador, 23.- enfriador de aceite, 25.- seguro del rotor, 26.- caja del controlador del cubo 172 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 108 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.21 Generador enfriado por aire.173 Fig. 3.22 Generador enfriado por hidrogeno.174 Fig. 3.23 Generador enfriado por hidrogeno/agua.175 173 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 174 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 175 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 109 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CENTRAL EÓLICA Fig. 3.24 Elementos de una central eólica.176 176 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 110 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TURBINA SUBMARINA177 Una turbina submarina es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas, ya que la velocidad de las corrientes submarinas varía a lo largo de un año se han de ubicar en los lugares más propicios en donde la velocidad de las corrientes varían entre 3 km/h y 10 km/h para implantar centrales turbínicas preferentemente en profundidades lo más someras posibles y que no dañen ningún ecosistema submarino. Las turbinas tendrían una malla de protección que impediría la absorción de animales acuáticos. Fig. 3.25 Tipos de turbinas submarinas.178 Fig.3.26 Aprovechamiento de la energía generada por las olas en forma de diferencia de presión / aire, para impulsar una turbina y generar energía eléctrica.179 177 Http://www.elirmex.com.mx/quienes.htm 178 Http://www.elirmex.com.mx/quienes.htm 179 Http://www.elirmex.com.mx/quienes.htm Página 111 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS TURBINAS DE VAPOR Y GAS Fig.3.27Esquemas de los elementos en las turbinas de vapor y gas.180 180 Marek Walisiewicz/ México: Planeta, 2004.Ciencia al día, Energía Alternativa: Guía básica sobre el futuro de la tecnología energética pág. 11 Página 112 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.4.2 BOMBAS181 Las bombas consiste en un conducto de admisión o succión que lleva el fluido al centro del impulsor, éste está formado por un rodete y álabes que dirigen al fluido hacia fuera del rotor en forma radial. Cuando el fluido es expulsado hacia afuera del rotor, éste es recogido por la carcaza de la bomba que hace las veces de difusor. POR SU FORMA • Centrífuga. • De émbolo. • Aletas. • De membrana. • De engranajes. • Rosca de Arquímedes. Fig. 3.28 Bomba centrífuga.182 COMPONENTES DE UNA BOMBA 1.- Empaque 2.- Flecha 3.- Rodete 4.- Voluta 5.- Entrada 6.- Anillo desgaste 7.- Difusor Fig. 3.29 Corte de una Bomba.183 181 http://Quiminet.com.pdf 182 http://Quiminet.com.pdf 183 http://Quiminet.com.pdf Página 113 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.30 Fig. 3.31 Fig. 3.30 Bomba tipo voluta.- La carcaza en este tipo de bomba es de voluta o espirar, tipo axial.184 Fig. 3.31 Corte esquemático de una bomba centrífuga. 1a carcasa, 1b cuerpo de bomba, 2 rodete, 3 tapa de impulsión, 4 cierre del eje, 5 soporte de cojinetes, 6 eje.185 Fig. 3.32 Rodetes de impulsión.186 Tipo invertido cerrado Tipo semi-abierto Tipo abierto para bajos-flujos 184 http://Quiminet.com.pdf 185 http://Quiminet.com.pdf 186 http://Quiminet.com.pdf Página 114 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.33 Tipos de impulsores abierto dentro de su tazón e impulsor cerrado tipo Francis, dentro de su tazón; bombas tipo turbina verticales para pozos profundos.187 BOMBA DE ÉMBOLO Fig. 3.34 Elementos de una Bomba de émbolo.188 187 http://bombasymotoresmundiales.com/bvtt.php 188 http://html.rincondelvago.com/bombas.html Página 115 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.35 Bombas de émbolo de uso extra pesado.189 BOMBA DE MEMBRANA Fig. 3.36 Elementos de una Bomba de membrana.190 189 http://www.Wastecorp/® Serie EHPE™ 190 http://html.rincondelvago.com/bombas.html Página 116 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.37 Bombas de doble diafragma.191 BOMBA DE PISTÓN Fig. 3.38 Bombas de pistón.192 191 http://www.Wastecorp/® Serie EHPE™ 192 http://html.rincondelvago.com/bombas.html Página 117 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBA DE ENGRANES Engranes ENTRADA SALIDA Fig. 3.39 Elementos de Bomba de engranes.193,194 193 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 194 http://html.rincondelvago.com/bombas.html Página 118 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS INSTALACION DE UNA BOMBA Fig. 3.40 Elementos de la instalación de una bomba.195 195 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 119 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ROSCA DE ARQUIMEDES (TORNILLO DE ARQUÍMEDES)196 Una bomba de tornillo es un tipo de bomba hidráulica considerada de desplazamiento positivo, que se diferencia de las habituales, más conocidas como bombas centrífugas. Esta bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa. Fig. 3.41 Rosca de Arquímedes.197 FUNCIONAMIENTO DE UN TORNILLO DE ARQUÍMEDES Fig. 3.42 Funcionamiento de la Rosca de Arquímedes.198 196 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 197 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 198 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 120 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ROSCA DE ARQUÍMEDES Fig. 3.43 Elementos de una rosca de Arquímedes (tornillo de Arquímedes).199 199 http://www.aguabolivia.org/situacionaguaX/normasPAS/r_nb688_ar.htm#0 Página 121 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CARACTERÍSTICAS200 • Tazones de hierro fundido bridados revestidos de vitra glass. • Altas eficiencias operativos. • • • • • • • • • garantizan menores costos Impulsores cerrados y semi-abiertos. Anillos de desgaste para impulsor y/o tazón. Cabezales de descarga de varias configuraciones. Flexibilidad del sistema de sellado. Permite amplia selección de sellos y empaquetaduras. Motor de eje hueco permite ajustes al punto de operación. Construcciones disponibles para operar altos contenidos de arena. Aleaciones especiales como ser níquel- aluminiobronce y acero. Inoxidable 316ss para líquidos corrosivos. Fig. 3.44 Bomba tipo turbina para pozo profundo.201 200 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador 201 http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador Página 122 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS SERVICIOS Y APLICACIONES Bombeo de pozos. Torres de enfriamiento. Sistemas “Booster”. Agua de mar. Equipos de rebombeo. Alimentación de caldera. BOMBAS CENTRÍFUGAS VERTICALES, DE MATERIALES TERMOPLÁSTICOS. Fig. 3.45 Elementos Bombas Centrífugas Verticales.202 A. B. C. D. E. 202 Pernos revestidos en pp., pvc, pvdf. Guarniciones en epdm o fpm. Forros de desgaste con fluidificación directa, en ptfe cargado, cerámica o sic. Eje en voladizo, sin soportes intermedios y revestido en pp., pvc, pvdf. Cuerpo bomba, tapa, rodete y otros componentes estampados y trefilados en materiales termoplásticos anticorrosión. http://bombasymotoresmundiales.com/bvtt.php Página 123 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBA VERTICAL Fig. 3.46 Elementos de Bombas Centrífugas Verticales.203 203 http://bombasymotoresmundiales.com/bvtt.php Página 124 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBA VERTICAL EXTERIOR Fig. 3.47 Elementos de Bombas Centrífugas Verticales Exteriores.204 204 Moto bombas multietapas; manual del usuario pag. 2, 4, Bogotá Colombia, sep. 2002. www.igihm.com Página 125 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBA VERTICAL EXTERIOR Fig. 3.48 Elementos de Bombas Centrífugas Verticales Exteriores.205 205 Moto bombas multietapas; manual del usuario pag. 2, 4, Bogotá Colombia, sep. 2002. www.igihm.com Página 126 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBA DE EJE VERTICAL MOTOBOMBA DESCARGA A A T U B E R Í A B D E D E S C A R G A D C E F E D G BOMBAS VERTICALES SUMERGIBLES Fig. 3.49 Elementos de una instalación en pozo seco con Bomba de eje vertical (A. Control de válvula, B. Eje Vertical. C. Carcasa con Impulsor, D. Codo, E. Válvula, F. Válvula de no retorno, G. Succión.).206 206 http://www.aguabolivia.org/situacionaguaX/normasPAS/r_nb688_ar.htm#0 Página 127 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBAS VERTICALES SUMERGIBLES Fig. 3.50 Elementos de una instalación en pozo húmedo de una Bomba sumergible vertical207 207 http://www.aguabolivia.org/situacionaguaX/normasPAS/r_nb688_ar.htm#0 Página 128 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBAS VERTICALES SUMERGIBLES Salida de agua de descarga 208 Rodamiento de apoyo al eje Eje matriz (motor - impelers) Nivel Succión (3) (2) (1) Etapas o impulsores de la bomba (3 en este caso) Filtro de entrada de la succión Retenedor hermético (Protege al motor de la humedad) Motor eléctrico Carcasa (Hermética a la humedad) Tubería que forra el pozo Fig. 3.51 Bomba Sumergible Multi- Etapas 208 208 http://www.aguabolivia.org/situacionaguaX/normasPAS/r_nb688_ar.htm#0 Página 129 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ESQUEMA DE BOMBAS VERTICALES SUMERGIBLES EN CASETA DE BOMBEO 209 CASETA BOMBEO DE VALVULAS DE NO RETORNO Y COMPUERTA DESCARGA ALIMENTACIÓN BOMBAS SUMERGIBLES Fig. 3.52 Estación de bombeo prefabricada con caseta de Servicio en el exterior. El collar de la fosa húmeda Sirve de cimentación para la caseta 209 209 Manual de bombeo de aguas residuales, pag.-69, bombas grundfos España, s.a. www.grundfos.es Página 130 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBAS PARA GRANDES GASTOS 210 211 212 213 Fig. 3.53 Modelo Cf-800 para caudales de hasta 8,000 m3/h.210 Fig. 3.55 Rotor para bomba modelo cf-800 para caudales de hasta 8,000 m3/h.212 210 211 212 213 Fig. 3.54 modelo cf-400 para caudales de hasta 1,800 m3/h.211 Fig. 3.56 Bomba modelo cf-400, terminada para caudales de hasta 1,800 m3/h.213 http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm Página 131 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Cuadro 3.2 Datos para los modeloI Q .Max. H. Max. (m3/h) (mts) CF-200 550 30 CF-300 1,200 30 CF-400 1,800 24 CF-500 2,500 20 CF-600 4,000 20 CF-800 8,000 18 Modelo Página 132 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS BOMBAS CENTRÍFUGAS DE GRANDES GASTOS Fig. 3.57 Elementos de una instalación Dual de Bombas de 500 mm de cañería de salida.214 214 http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm Página 133 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS VERTICALES Fig. 3.58 Colocación de una bomba de eje vertical para grandes volúmenes.215 Fig. 3.59 Hélice o rotor, de tres a cinco alabes helicoidales, balanceado dinámicamente para soportar 850 r.p.m.216 215 216 http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm http://www.falmetalbombas.com.ar/ejevertical-4.htm Página 134 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.5 ECUACIÓN DE TURBINA DE EULER217 En la figura 3.60 se representa la trayectoria de una partícula de agua que entra en el rodete de una turbina por el punto 1 con una velocidad V1 y sale por el punto 2 con velocidad V2. Desde luego, la trayectoria indicada es consecuencia de todas las velocidades y de la forma de los álabes, que en este dibujo no se han representado para hacerlo más sencillo. Fig. 3.60 Trayectoria de velocidad de entrada y salida de una partícula de agua (pág. 73).218 El impulso aprovechado por el rodete es el indicado en la expresión: pero si se desea conocer el par que hace girar a la rueda, llamado par motor: 217 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs 218 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 135 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS sólo interesa la proyección de este impulso sobre las tangentes a la rueda; por lo que dicho par motor, según la expresión señalada y de acuerdo con la figura 3.60, tiene el valor: Expresión conocida como ecuación de turbina de Euler. Ahora bien, según la expresión de la fórmula del par motor: y la expresión de la velocidad angular: la potencia del rodete vale: Ésta es la potencia real, ya que el líquido entregó al rodete la energía necesaria para ponerlo en movimiento y para vencer las pérdidas en dicho rodete. Por lo tanto, si dicha potencia es P= ηγγQH, la expresión anterior equivale a: llamada ecuación energética de la turbina o simplemente ecuación de Euler, aunque esta última denominación puede provocar confusiones con otras expresiones debidas al mismo investigador. Página 136 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS En el apéndice I se demuestra la ecuación de Euler siguiendo la trayectoria de la partícula a través del rodete. Para el caso de las bombas el par motor es exactamente igual pero de signo contrario al de la expresión 3.5.a, como puede concluirse al observar los paralelogramos de velocidades de la figura 3.61; y cómo, en este caso, es el impulsor el que trasmite su energía mecánica al líquido y no a la inversa como sucede en la turbina; el par motor entregado al impulsor tiene el valor: Recuérdese que, como se indica en la figura 3.61, los subíndices 1 y 2 señalan, respectivamente, la entrada y la salida del líquido. La potencia real de la bomba cuya eficiencia sea η tiene el siguiente valor: por lo que la ecuación energética de Euler para la bomba es: CONCLUSIONES BASADAS EN LA ECUACIÓN DE EULER PARA EL DISEÑO DE RODETES E IMPULSORES. Si se analiza la ecuación de Euler en sus formas 3.5.b y 3.5.d para turbinas y para bombas, respectivamente, y se observan las figuras 3.61, 3.62 y 3.63, pueden deducirse algunas de las características principales de diseño que deben reunir los rodetes y los impulsores para proporcionar mayor eficiencia, dado un cierto valor de su carga. Página 137 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.61 Rodete (velocidad absoluta del agua V, tangencial de giro del rodete U y velocidad relativa agua-rodete W)(pág. 71).219 Fig. 3.62 Bomba (pág. 72).220 219 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs 220 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 138 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.63 Rodete (pág. 74).221 En el cuadro 3.3 se presentan dichas características que son producto simplemente de “leer” la ecuación de Euler y observar los paralelogramos de velocidades que aparecen en las figuras mencionadas con anterioridad. 221 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs. Página 139 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Cuadro 3.3 Características principales de diseño para rodetes e impulsores (pág. 75).222 222 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 140 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS APÉNDICE I223 ECUACIÓN DE TURBINA DE EULER (1754) En la figura I.1 se representa una parte del rodete de una turbina de reacción (Francis). Por simplicidad, se ha dibujado sólo un álabe; y del lado izquierdo, con línea punteada, la trayectoria de una partícula del líquido, cuya velocidad relativa es W. Fig. I-1 Rodete turbina de reacción Francis (pág. 273).224 Los puntos 1 y 2 señalan, respectivamente, la entrada y salida del agua orientada por los álabes. Las velocidades absolutas del agua están indicadas con los vectores V, y con U las tangenciales que indican el giro del rodete. Obsérvese que la trayectoria del líquido entre los álabes es siempre tangente a la 223 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs 224 . Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 141 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS velocidad relativa W, ya que ésta sería la velocidad del agua si el rodete estuviera fijo (o si giráramos con él). Por la misma razón, los álabes son en todos sus puntos tangentes a los vectores W. La velocidad angular se puede representar por el vector ω; si se designa con r al radio vector a cualquier punto de la trayectoria, la velocidad tangencial está dada por la expresión: U = ω x r. En la figura I.2.a . se indica el vector ω, el cual es perpendicular al plano del movimiento donde se alojan los vectores r, W y U. Fig. I-2 Aceleración de una partícula (pág. 274).225 Si se acepta ahora el principio de superposición de los esfuerzos, puede suponerse todo el gasto concentrado en la trayectoria indicada en la figura I.1, y como la aceleración de una partícula está representada por la expresión general: a = aW + 2ω x W + ω x (ω x r) donde aW es la aceleración lineal en la dirección del flujo; 2ω x W es llamada aceleración de Coriolis, la cual es provocada por una trayectoria diferente a la recta y su dirección se señala en la figura I.2.b. El tercer término es la aceleración centrípeta, que obviamente no produce ningún giro, tal como se observa en la figura I.2.a. Entonces el rodete está sometido a dos impulsos que se indican en la figura I.1, a saber: 225 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 142 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS y sólo sus proyecciones sobre las tangentes respectivas a la rueda producen un momento, cuyo valor puede calcularse utilizando únicamente los módulos de los vectores, ya que su dirección es clara. Dicho momento es: que equivale a: Por otra parte, el momento debido a la fuerza de Coriolis puede calcularse integrando a lo largo de la trayectoria 1.2. En efecto, para una partícula elemental de masa dm (véase la figura I.1) dicho momento es: Ahora bien, como el ángulo entre los vectores ω y W es de 90°, su seno es 1 y la expresión anterior puede escribirse en forma escalar de la siguiente manera: y como la velocidad relativa es: y según la misma figura: Página 143 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS el momento provocado por la fuerza de Coriolis para la partícula es: es decir: que en toda la trayectoria tiene el valor: Por otra parte, en la figura I.1 se observa la validez de las siguientes relaciones: que sustituidas en I.a llevan a la expresión: y el momento total del fluido con respecto al eje 0, es decir, el par motor, es: Página 144 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS que de acuerdo con I.c y I.b tiene el valor: que es llamada ecuación de turbina de Euler, obtenida por dicho investigador en 1754. Si se recuerda la expresión del par motor P = Mω y la definición de ω, puede concluirse que la potencia de la turbina es: y ya que dicha potencia está dada por la expresión P = ηγQH, será correcta la siguiente expresión: que es la ecuación de Euler. 3.6 EJEMPLOS226 226 Expositor Ing. Raúl Manjarrez Ángeles y M. en C. María del Rosario Mendoza González, Seminario “Hidromecánica y Energías Alternas”, E.S.I.AZacatenco, 29 de Mayo al 10 de Octubre de 2009, México D.F. Página 145 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.6.1 EN UN PROYECTO DE BOMBEO SE TIENE LOS SIGUIENTES DATOS: Q = 35 l/s (0.035 m³/s) (554.78 G.P.M.) ds = 6″ (0.152 m) h = 2340 m.s.n.m. dd = 6″ (0.152 m) hfs = 2.31 m ld = 100 m HET = 30 m n = 0.018 HES = - 1.50 m 1 codo de 90°: k = 0.9 N = 3570 r.p.m. v. de compuerta abierta: k = 0.2 Cuadro 3.4 Coeficiente de pérdida “ k” más usuales en instalaciones de bombeo (pág. 160)227 Accesorios Válvula de globo abierta Válvula check totalmente abierta Coeficiente “ k “ 10 1.5 ~ 2.5 Codo estándar de 90° 0.9 Codo estándar de 45° 0.4 Válvula de compuerta totalmente abierta 0.2 Pérdida por entrada brusca 0.8 Pérdida por entrada gradual 0.2 Pérdida por pichancha 5.5 Referencias misma ps 160 Solución: Determinación de la fórmula de pérdidas totales de la descarga. 227 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 146 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Determinación de las pérdidas de energía en la descarga. Para determinar las pérdidas por fricción dado que se carece de ciertos datos, las pérdidas por fricción se determinarán usando las ecuaciones de Manning. despejando: por lo que: y como se sabe: Página 147 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Determinación de la velocidad en la descarga utilizando la ecuación de continuidad se tiene. Altura barométrica total. Página 148 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Es necesario determinar la velocidad específica. Para determinar la potencia de la bomba, se necesita conocer la eficiencia de la misma, y de acuerdo a los valores de Ns y Q, usaremos la figura 3.64a: Fig. 3.64 Eficiencia de las bombas (pág. 157).228 228 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs. Página 149 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La eficiencia de la bomba de acuerdo a la figura es η = 0.8 → 80%, por lo que: De acuerdo a las especificaciones específicas se utilizaron con una potencia de 24.21 HP. 3.6.2 EN UNA INSTALACIÓN DE BOMBEO SE TIENE LOS SIGUIENTES DATOS: dd = ds = 4″ h = 2000 m.s.n.m. Q = 20 l/s HET = 40 m n = 0.016 ld = 75 m ls = 15 m σ = 0.07 TH2O = 60° C Succión: Descarga: Válvula chek: k = 2.0 1 válvula: k = 0.2 1 codo de 90°: k = 0.9 1 codo de 90°: k = 0.9 1.- Determine si hay peligro de cavitación para las dos siguientes opciones: a) HESa = - 2.00 m b) HESb = +4.00 m 2.- En ambos casos calcule la presión absoluta a la entrada del impulsor y compárela con la de vaporización. 3.- Determine el margen de presión que necesita la bomba seleccionada para no cavitar. Página 150 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Solución: 1.- La presión a cumplir es: HEsa < HESb < HESmín entonces habrá cavitación Cálculo de pérdidas de energía en succión y descarga: Cálculo de las pérdidas en la descarga: La altura dinámica ó manométrica es: Página 151 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Para determinar la carga de presión atmosférica en metros columna de agua, se utiliza la siguiente expresión: h =Altitud del sitio en m.s.n.m. Retomando la ecuación de coeficiente de Thoma. rango de σ = 0.05 a 1.0 Los especialistas recomiendan utilizar un valor del coeficiente de Thoma de 0.07, despejando: Para obtener la carga de presión de vaporización se utilizará la figura 3.65 Página 152 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 3.65 Presión de vaporización del agua en función de la temperatura (pág. 124).229 Para una temperatura de 60° C le corresponde una carga de presión de vaporización de 2.03 m. Con los datos obtenidos y de acuerdo con la ecuación siguiente: despejando: Con la expresión: 229 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 153 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS donde: Premisa: a) HESa, HESb < HES ⇒ Si se cumple habrá cavitación. - 2.00 m < 2.66 ⇒ Entonces si habrá cavitación. b) HESa, HESb < HES ⇒ Si se cumple habrá cavitación. 4.00 m < 2.66 ⇒ No hay cavitación. 2.- De acuerdo con la carga de presión absoluta y que es la siguiente: a) b) Página 154 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 3.- Para determinar el margen de presión que requiere la bomba utilizada en el proyecto y que no cavite, ¿Calcularemos la presión mínima y le agregaremos la presión atmosférica? despejando: Nota: Se le agrega la carga total y se le descuenta la carga de vaporización. En 3.94 m. positiva, no se presentarán problemas de cavitación. 3.6.3 UNA BOMBA TRABAJA BAJO LAS SIGUIENTES CONDICIONES: Q = 200 l/s H = 60 m f = 60 Hz p = 1 (Número de pares de polos) Dm = 6” 1.- Se desea conocer para otra bomba semejante pero con un gasto de 180 l/s, los parámetros indicados según las alternativas siguientes: a) N, H y P si D = cte. Página 155 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS b) D, H y P si N = cte. 2.- ¿Convendría recortar el impulsor? ¿Cuáles serían los parámetros? Solución: Determinación de la velocidad de giro en revoluciones por minuto (R.P.M.). Determinando la velocidad específica. De acuerdo a la figura 3.64b, para la velocidad específica y gasto le corresponde una eficiencia de η = 87%. Determinación de la potencia en kw. Página 156 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS a) Caso 1 de las fórmulas de las leyes de similitud. Utilizando la expresión: despejando a Np: Utilizando la expresión: despejando a Hp: Potencia del prototipo. Página 157 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS despejando a Pp: b) Caso 2 de las fórmulas de las leyes de similitud. Utilizando la expresión: despejando a Dp: Utilizando la expresión: Página 158 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS despejando a Hp: Potencia del prototipo. despejando a Pp: Puesto que la reducción en el diámetro del impulsor es mucho menor del 20% (3.5%) para un recorte del impulsor y dado que no existe comercialmente uno de diámetro calculado, lo lógico es usar el de 6” y utilizar las leyes de similitud en recorte de impulsores, como se muestra a continuación. Utilizando la expresión: despejando a Dp: Página 159 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Utilizando la expresión: despejando a Hp: Potencia del prototipo. despejando a Pp: Página 160 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 3.6.4 UNA TURBINA FUE DISEÑADA PARA TRABAJAR EN LAS SIGUIENTES CONDICIONES: H = 40 m Q = 100 m3/s N = 200 r.p.m. η = 0.85 f = 60 Hz Sin embargo, una vez construida la turbina hubo necesidad de hacer un cambio en el proyecto, consistente en alterar la carga hidráulica a 25 m en lugar de los 40 m originales. En el nuevo proyecto se desea usar la misma turbina, haciendo los ajustes necesarios para que trabaje con la misma eficiencia, o la más posible cercana a ella. 1.- Determine los nuevos valores de gasto, velocidad de giro y de potencia. 2.- Seleccione de los siguientes cinco generadores, el apropiado: p = 16, 20, 24 y 28 (pares de polos). 3.- En base a la selección del generador apropiado, ajuste nuevamente la velocidad de giro, el gasto, la carga hidráulica y potencia en la forma conveniente. Solución: 1.- De acuerdo a los datos, se observa que en este proyecto modificado corresponde al caso 1 de las leyes de similitud mecánica para turbinas. Utilizando la expresión: despejando a Qp: Página 161 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Determinación de la nueva velocidad de giro. despejando a Np: Se determina la potencia inicial. Determinando la potencia del prototipo. Página 162 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS despejando a Pp: ó 2.- De acuerdo con la ecuación de la velocidad síncrona y que es la siguiente: despejando a p: por lo que: Como el generador disponible más cercano fue de 24 pares de polos es de notarse que le corresponda una nueva velocidad de giro y deberá ajustarse nuevamente la carga hidráulica, el gasto y la potencia. 3.- Teniendo la selección del generador, se procede con el ajuste indicado. Página 163 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Utilizando la expresión: ó 3.6.5 UNA TURBINA DEBE TRABAJAR CON LOS DATOS SIGUIENTES: Q = 3.14 m3/s N = 120 r.p.m. D = 3.5 m H = 136 m 1.- Utilizando la curva correspondiente de isoeficiencia, determine el rango de gasto y potencias que puede tener sin disminuir su eficiencia original. Solución. Determinación de la velocidad de giro y gasto unitario. Página 164 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Para saber que curva debe usarse es necesario conocer el tipo de turbina. Con este fin supóngase una eficiencia típica del 80% (η = 80%) y determine la potencia. Cálculo de la velocidad específica. De acuerdo al cuadro 3.5, para la velocidad específica se utilizará una Turbina Pelton de 1 chiflón. Página 165 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Cuadro 3.5 Tipos de turbinas según su velocidad específica (pág. 115).183 Para los datos de 36.01 R.P.M. y 0.022 m3/s y con apoyo de la figura 3.66, se obtiene una eficiencia unitaria de 0.85 183 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 166 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 3.66 Pelton (1 chiflón) Ns´= 20 (pág. 131).184 Para la eficiencia de ηu = 0.85 se tienen dos gastos unitarios. 184 Humberto Gardea Villegas, 30 de junio 1992, Aprovechamientos Hidroeléctricos y de Bombeo, primera edición, , Editorial Trillas, México, 290 págs Página 167 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Determinación de los gastos máximo y mínimo reales de trabajo. Obtención de la eficiencia del prototipo. por ser turbina unitaria, Dm = 1 Cálculo de potencias máxima y mínima. Página 168 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Cálculo de velocidad específica. 3.6.6 PARA UN INFORMACIÓN: PROYECTO HIDROELÉCTRICO SE TIENE LA SIGUIENTE H = 85 m P = 135 MW f = 60 Hz h = 680 m.s.n.m. p = 22 pares de polos T = 40° C 1.- Determine el número de unidades y tipo de turbina. 2.- Determine la altura máxima de succión. Solución: 1.- De acuerdo a los datos, se procede a: Obtención de la velocidad de giro. Página 169 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS ahora bien: Cálculo de la velocidad específica. Para determinar la velocidad específica por turbina, se utiliza la ecuación de Schapov ya que ésta cae dentro del rango de la carga hidráulica. Cálculo del número de turbinas. Página 170 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Reajustando la velocidad específica por rodete se tiene: Se requieren dos turbinas tipo Francis normal, con velocidad específica por rodete de 191.75 2.- La presión atmosférica se puede calcular con la expresión siguiente: Para la carga de presión de evaporización se utilizará la figura 3.65 Utilizando la expresión de Schapov se obtiene el coeficiente de Thoma. Página 171 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS la altura de succión valdrá: Símbolos y abreviaturas Ah área hidráulica de tubería Hv carga de presión de vaporización Ahd área hidráulica de tubería de descarga HA carga de presión atmosférica Ahs área hidráulica de tubería de succión HES altura ó carga estática de succión CSPNr carga de succión positiva neta requerida HET altura ó carga estática total CV caballo de vapor k coeficiente de pérdida dd diámetro de tubería de descarga ki coeficiente de pérdida por accesorio ds diámetro de tubería de succión KW kilowatt Dm diámetro del modelo (impulsor, rodete) ld longitud de tubería de descarga Dp diámetro del prototipo (impulsor, rodete) ls longitud de tubería de succión f frecuencia eléctrica L longitud de tubería g aceleración de la gravedad m.c.a. metros columna de agua G.P.M. galones por minuto m.s.n.m. metros sobre nivel del mar h altitud del sitio MW megawatt hf pérdidas de energía W watt hfd pérdidas de energía en la descarga n coeficiente de rugosidad (Manning) hfs pérdidas de energía en la succión N velocidad de giro ( impulsor, rodete ) H altura ó carga dinámica total Nu velocidad de giro unitaria HP caballo de poder Nm velocidad de giro del modelo Hm carga dinámica del modelo Np velocidad de giro del prototipo Hp carga dinámica del prototipo Ns velocidad específica Hs carga de succión N´s velocidad específica de una turbina Página 172 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Nu velocidad específica unitaria R.P.M. revoluciones por minuto p número de pares de polos Rh radio hidráulico de tubería pm perímetro mojado Rhd radio hidráulico de tubería de descarga P potencia Rhs radio hidráulico de tubería de succión Pm potencia del modelo S pendiente Pp potencia del prototipo T temperatura Q gasto U velocidad tangencial Q´ gasto de una turbina V velocidad de flujo, velocidad absoluta Qm gasto del modelo Vd velocidad de flujo en la descarga Qp gasto del prototipo Vs velocidad de flujo en la succión Qp gasto del prototipo W velocidad relativa Qu gasto unitario Z número de turbinas π (pi) parámetro adimencional ω (omega) velocidad angular λ (lambda) coeficiente de fricción η (eta) eficiencia ηm (eta) eficiencia del modelo ηp (eta) eficiencia del prototipo ηu (eta) eficiencia unitaria σ (sigma) coeficiente de Thoma γ (gamma) peso específico del líquido β (beta) ángulo α (alfa) ángulo δ (delta) ángulo Factores de conversión 1 caballo de poder (HP) = 550 pies–libras por segundo (ft•lb/s) = 76.159 kilogramos-metro por segundo (kg•m/s) 1 caballo de vapor (CV) = 75 kilogramos–metros por segundo (kgf•m/s) 1 litro por segundo (l/s) = 15.851 galones por minuto (G.P.M.) 1 litro por segundo (l/s) = 0.001 metros cúbicos por segundo (m3/s) Página 173 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 1 pulgada (“) = 0.0254 metros (m) 1 pié (ft) = 0.3048 metros (m) 1 metro (m) = 3.2808 pies (ft) 1 kilowatt (KW) = 1000 watts (W) 1 megawatt (MW) = 1000 kilowatts (KW) Página 174 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 42 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD IV BOMBAS CENTRIFUGAS Página 175 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD IV BOMBAS CENTRIFUGAS 4.1 GENERALIDADES. 185 Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tubuladuras de salida o hacia el siguiente rodete. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del 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, (en pascales, Pa, metros de columna de agua m.c.a. o o pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Tradicionalmente la presión proporcionada por la bomba en metros de columna de agua o pie-lb/lb se expresa en metros o en pies y por ello que se denomina genéricamente como "altura", y aun más, porque las primeras bombas se dedicaban a subir agua de los pozos desde una cierta profundidad (o altura). Las bombas centrífugas tienen un uso muy extendido en la industria ya que son adecuadas casi para cualquier uso. Las más comunes son las que están construidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidráulica) con un único rodete, que abarcan capacidades hasta los 500 m³/h y alturas manométricas hasta los 100 metros con motores eléctricos de velocidad normalizada. Estas bombas se suelen montar horizontales, pero también pueden estar verticales y para alcanzar mayores alturas se fabrican disponiendo varios rodetes sucesivos en un mismo cuerpo de bomba. De esta forma se acumulan las presiones parciales que ofrecen cada uno de ellos. En este caso se habla de bomba multifásica o multietapa, pudiéndose lograr de este modo alturas del orden de los 1200 metros para sistemas de alimentación de calderas. Constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para mover más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de impulsos de baja frecuencia. Los impulsores convencionales de bombas centrífugas se limitan a velocidades en el orden de 60 m/s (200 pie/s) 185 http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga Página 176 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 4.2 TIPOS Y SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS. La principal clasificación de las bombas según el funcionamiento en que se base; bombas de desplazamiento positivo o volumétrico, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en: Bombas de émbolo alternativo. En las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinúo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial. Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas. En las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica. Bombas rotodinámicas. En las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es contínuo. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en: Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor. Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro. Página 177 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete186. DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Y DE FLUJO AXIAL. El elemento rotativo de una bomba centrífuga se denomina impulsor. La forma del impulsor puede forzar al agua a salir en un plano perpendicular a su eje (flujo radial); puede dar al agua una velocidad con componentes tanto axial como radial (flujo mixto) o puede inducir un flujo en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje (flujo axial). Normalmente, a las máquinas con flujo radial o mixto se les denomina bombas centrífugas, mientras a las de flujo axial se las llama bombas de flujo axial o bombas de hélice. Los impulsores de las bombas radiales y de las mixtas pueden abiertos o cerrados. Los impulsores abiertos consisten en un eje al cual están unidos los álabes, mientras que los impulsores cerrados tienen láminas (o cubiertas) a cada lado de los alabes. Las bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina voluta, que guía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga. El incremento de la sección transversal a lo largo de la envolvente tiende a mantener constante la velocidad en su interior. Algunas bombas tienen álabes difusores en la voluta. Estas bombas son conocidas como turbobombas. Las bombas pueden ser unicelulares o multicelulares. Una bomba unicelular tiene un único impulsor, mientras que una multicelular tiene dos o más impulsores dispuestos de forma que la salida de uno de ellos va a la entrada siguiente. Es necesario emplear una disposición apropiada de las tuberías de aspiración y descarga para que una bomba centrífuga funcione con su máximo rendimiento. Por motivos económicos, el diámetro de la cubierta de la bomba en la aspiración y descarga suele ser menor que el del tubo al cual se conecta. Si existe un reductor horizontal entre la aspiración y la bomba, deberá utilizarse un reductor excéntrico para evitar la acumulación de aire. Deberá instalarse una válvula de pie (válvula de registro) en el tubo de aspiración para evitar que el agua abandone la bomba si ésta se detiene. La tubería de descarga suele incorporar una válvula de registro una válvula de cierre. La válvula de registro evita que se cree un flujo de retorno a través de la bomba en caso de que haya una caída de potencia. Las tuberías de aspiración que toman agua de un depósito suelen tener un filtro para prevenir la entrada de partículas que pudieran atascar la bomba. 186 http://www.monografias.com/trabajos15/bombas/bombas.shtml Página 178 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Las bombas de flujo axial suelen tener solo dos o cuatro palas, por lo que tienen grandes conductos sin obstáculos, que permiten trabajar con agua que contengan elementos sólidos sin que se produzca atascos. Los álabes de algunas bombas axiales grandes son ajustables para permitir fijar la inclinación que dé el mejor rendimiento bajo condiciones reales. SEGÚN EL TIPO DE ACCIONAMIENTO. 187 Electrobombas, genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de explosión Bombas neumáticas, que son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido. Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria. Bombas manuales, un tipo de bomba manual es la bomba de balancín. TIPOS DE BOMBAS DE ÉMBOLO ALTERNATIVO. En una "bomba aspirante", un cilindro que contiene un pistón móvil está conectado con el suministro de agua mediante un tubo. Una válvula bloquea la entrada del tubo al cilindro. La válvula es como una puerta con goznes, que solo se abre hacia arriba, dejando subir, pero no bajar, el agua. Dentro del pistón, hay una segunda válvula que funciona en la misma forma. Cuando se acciona la manivela, el pistón sube. Esto aumenta el volumen existente debajo del pistón, y, por lo tanto, la presión disminuye. La presión del aire normal que actúa sobre la superficie del agua, del pozo, hace subir el líquido por el tubo, franqueando la válvula-que se abre- y lo hace entrar en el cilindro. Cuando el pistón baja, se cierra la primera válvula, y se abre la segunda, que permite que el agua pase a la parte superior del pistón y ocupe el cilindro que está encima de éste. El golpe siguiente hacia arriba hace subir el agua a la espita y, al mismo tiempo, logra que entre más agua en el cilindro, por debajo del pistón. La acción continúa mientras el pistón sube y baja. Una bomba aspirante es de acción limitada, en ciertos sentidos. No puede proporcionar un chorro continuo de líquido ni hacer subir el agua a través de una distancia mayor a 10 m. entre la superficie del pozo y la válvula inferior, ya que la presión normal del aire sólo puede actuar con fuerza suficiente para mantener una columna de agua de esa altura. Una bomba impelente vence esos obstáculos. 187 http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_hidr%C3%A1ulica Página 179 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La “bomba impelente”, consiste en un cilindro, un pistón y un caño que baja hasta el depósito de agua. Asimismo, tiene una válvula que deja entrar el agua al cilindro, pero no regresar. No hay válvula en el pistón, que es completamente sólido. Desde el extremo inferior del cilindro sale un segundo tubo que llega hasta una cámara de aire. La entrada a esa cámara es bloqueada por una válvula que deja entrar el agua, pero no salir. Desde el extremo inferior de la cámara de aire, otro caño lleva el agua a un tanque de la azotea o a una manguera. SELECCIÓN DE BOMBAS PARA UNA APLICACIÓN DADA.188 Haremos lo posible para seleccionar una bomba que opere con un rendimiento relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas. Los parámetros que se deben investigar incluyen la velocidad específica Ns, el tamaño D del impulsor y la velocidad de operación n. Otras posibilidades son el uso de bombas multietapa, bombas en serie, bombas en paralelo, etc. Incluso, bajo ciertas condiciones, limitar el flujo en el sistema puede producir ahorros de energía. El objetivo es seleccionar una bomba y su velocidad de modo que las características de funcionamiento de la bomba en relación al sistema en el cual opera sean tales que el punto de funcionamiento esté cerca del PMR (punto de máximo de rendimiento). Esto tiende a optimizar el rendimiento de la bomba, minimizando el consumo de energía. El punto de operación puede desplazarse cambiando la curva características de la bomba, cambiando la curva característica del sistema o cambiando ambas curvas. La curva de la bomba puede modificarse cambiando la velocidad de funcionamientos de una bomba dada o seleccionando una bomba distinta con características de funcionamiento diferentes. En algunos casos puede ser una ayuda ajustar el impulsor, es decir, reducir algo su diámetro, alrededor de un 5 por 100, mediante rectificado. Este impulsor más reducido se instala en la cubierta original. La curva característica del sistema puede cambiarse modificando el tamaño de la tubería o estrangulando el flujo. Una complicación que se presenta a menudo es que los niveles de ambos extremos del sistema no se mantienen constantes, como ocurre si los niveles de los depósitos fluctúan. En tal caso es difícil alcanzar un rendimiento alto para todos los modos de funcionamiento. En casos extremos a veces se utiliza un motor con velocidad variable. El procedimiento de selección de una bomba que permita una recirculación segura es: 188 http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_mecanica/bombas/default3.asp Página 180 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS selecciones una bomba que produzca el flujo de descarga Qa deseado. La curva E es la característica de carga y capacidad de la bomba y la curva a es la de carga del sistema para la descarga hacia el tanque A. La bomba funciona con una carga de Hop. para incluir recirculación continua en el sistema de bombeo, hay que aumentar el caudal de la bomba con la carga Hop de funcionamiento para mantener una descarga de Qa hacia el tanque A y, al mismo tiempo, una recirculación Qb de retorno al tanque B. Para lograrlo, se selecciona el tamaño inmediato mayor de impulsor con la curva de rendimiento F. Si se conoce el flujo Qb con la curva Hop de funcionamiento para orificio y tubo de recirculación, el flujo de recirculación Qs, en el punto de corte de la bomba se puede determinar con: En donde H, es la carga de corte de la bomba con la curva de rendimiento F. Calcúlese el flujo mínimo seguro, Qmin, para la bomba con curva de rendimiento F y la ecuación (2) y conviértase Wmin a Qmin. Compárese la recirculación, Qs, en el punto de corte de la bomba contra el flujo seguro mínimo, Qmin. Si Qs, es mayor que o igual a Qmin, esto concluye el proceso de selección. Si Q, es menor que Qmin, selecciónese el tamaño inmediato mayor de impulsor y repítase los pasos 3, 4 y 5 hasta Determinar el tamaño de impulsor que produzca la recirculación mínima segura. 4.3 TIPOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS SEGÚN SU FORMA DE OPERAR. BOMBAS CENTRIFUGAS HORIZONTALES. Las bombas centrífugas horizontales tienen el eje horizontal, y son utilizadas para funcionamiento en seco, es decir, deben de colocarse fuera del líquido a bombear, ya que éste llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración, en éste caso, un ejemplo claro es una bomba de las que encontramos en nuestras casas, y la tubería de aspiración es lo que comúnmente se conoce como pichincha. Página 181 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Cabe señalar que una bomba de éste tipo, debe estar seca en su exterior, sin embargo, siempre debe permanecer con líquido en su interior, ya que le fluido a su vez, tienen la función de lubricante entre los anillos, el impulsor y el eje, por lo que a falta del lubricante, la consecuencia inmediata es que la bomba se queme debido a la fricción entre los componentes metálicos; por lo anterior, es necesario que antes de poner en funcionamiento una bomba centrífuga horizontal, se le haga lo que llamamos “cebarla” , es decir, hacer que en su tubería tenga cierta carga de fluido para que inicie el proceso de aspirado, elevado y expulsión. Las bombas horizontales son mucho más baratas que las verticales debido a que su diseño y construcción es mucho más fácil; a continuación, hablaremos de las bombas centrífugas verticales. BOMBAS CENTRÍFUGAS VERTICALES. Las bombas centrífugas verticales, como su nombre lo indica, tienen el eje colocado en sentido vertical y debido a que se encuentra por encima del nivel de la bomba, puede ser flexible o rígido; este tipo de bombas puede funcionar de dos formas, en seco o sumergidas, las que trabajan en seco, el motor puede estar casi sobre la bomba, lo cual por lo general no se hace ya que se debe elevarlo más para resguardarlo de una inundación posible que podría dañarlo, en este tipo de bombas, se tiene que llevar a cabo el proceso de cebado. Las bombas verticales sumergidas eliminan el proceso de cebado ya que el impulsor siempre estará con fluido en el interior, siempre se debe tener cuidado de que el nivel de aspiración esté por debajo del nivel del fluido ya que de lo contrario, se generarán remolinos que le introducirán aire trayendo como consecuencia una disminución en el rendimiento de la misma, y en casos extremos, ocasionar que ésta se queme; un ejemplo común de estas bombas son las llamadas de achique que son muy socorridas para desaguar cimentaciones, las cuales se colocan en el cárcamo de bombeo y como son de mayor potencia, en muchas ocasiones, una ellas basta para realizar todo el trabajo. Bombas de turbina verticales. Hablando de bombas verticales sumergidas de gran volumen, las más importantes son las bombas de turbinas verticales, llamadas también de pozo profundo, diseñadas para la explotación de pozos y para el sondeo de yacimientos de diámetro reducido; en dichas bombas, el conjunto de difusores y la tubería de impulsión cuelgan prácticamente del cabezal sobre el que está montado el motor. Estas bombas permiten montar el número de etapas que se desee, simplemente agregando difusores e impulsores, estas bombas ofrecen un alto rendimiento, sin embargo, los costos de mantenimiento son muy altos, pese a ello, son muy socorridas en la industria por la ventaja antes mencionada que ofrecen, dejando atrás el uso que en su inicio se les daba, o sea, la explotación de pozos profundos para abastecer los sistemas de riego. Las bombas de turbina verticales, se subdividen en bombas de motor normal superior y de motor sumergido. Página 182 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Bombas de turbina verticales de motor normal superior. Las de motor normal superior, tienen el eje en el interior de la tubería de impulsión , ya sea sin protección si está lubricado por aceite, ó en el interior de un tubo si la lubricación se hace mediante un fluido de fuente externa, el conjunto de impulsores y eje está colocado en la parte superior del motor o en el cabezal; los problemas que se pueden presentar radican básicamente en la rectitud del eje, ya que influye de manera directa en la vida de los cojinetes por el exceso de vibración que provoca un eje imperfecciones, se estima que la seguridad del eje es proporcional a su resistencia a la flexión. Bombas de turbina verticales de motor sumergido. La otra clasificación pertenece a las de bombas de turbina verticales de motor sumergido, creadas para eliminar los problemas que se presentan en las de motor normal superior, es decir, colocando los motores por debajo de la bomba, eliminando los largos ejes, en estas bombas los motores pueden funcionar en seco con cierre hermético ó inundados. Estas bombas son muy socorridas en pozos muy profundos de más de treinta metros, ó pozos inclinados ó curvos, en donde una bomba común de turbina vertical no puede funcionar, la desventaja que se tiene con ellas, es que debido a las grandes cargas que tienen que elevar, la vida útil del motor y el rendimiento se ven afectados y por consecuencia disminuidos. Bombas verticales de hélice. Estas bombas se utilizan para manejar grandes caudales en pequeñas alturas, se caracterizan por tener un impulsor axial provisto de un eje vertical que gira dentro de una tubería de impulsión, el impulsor puede ir en voladizo o con un cojinete inferior que proporciona mayor rigidez al momento de girar y reduce la posibilidad de roce entre el impulsor y la tubería que lo rodea. El costo de estas bombas es bajo, sin embargo, su funcionamiento es limitado. 4.4 PERDIDAS DE ENERGÍA EN LAS INSTALACIONES DE BOMBEO.189 La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa la pérdida de energía de un flujo hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento. A continuación se resumen las principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías: 189 Darcy-Weisbach (1875) Manning (1890) http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.htm Página 183 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Hazen-Williams (1905) Scimeni (1925) Scobey (1931) Veronesse-Datei Pérdidas de carga en singularidadesÇ Darcy-Weisbach (1875) Una de las fórmulas más exactas para cálculos hidráulicos es la de Darcy-Weisbach. Sin embargo por su complejidad en el cálculo del coeficiente "f" de fricción ha caído en desuso. Aún así, se puede utilizar para el cálculo de la pérdida de carga en tuberías de fundición. La fórmula original es: h = f · (L / D) · (v2 / 2g) En función del caudal la expresión queda de la siguiente forma: h = 0,0826 · f · (Q2/D5) · L En donde: h: pérdida de carga o de energía (m) f: coeficiente de fricción (adimensional) L: longitud de la tubería (m) D: diámetro interno de la tubería (m) v: velocidad media (m/s) g: aceleración de la gravedad (m/s2) Q: caudal (m3/s) El coeficiente de fricción f es función del número de Reynolds (Re) y del coeficiente de rugosidad o rugosidad relativa de las paredes de la tubería (εr): f = f (Re, εr); Re = D · v · ρ / μ; εr = ε / D 3 ρ: densidad del agua (kg/m ). Consultar μ: viscosidad del agua (N·s/m2). Consultar Página 184 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ε: rugosidad absoluta de la tubería (m) En la siguiente tabla se muestran algunos valores de rugosidad absoluta para distintos materiales: Tabla 4.1 Rugosidad absoluta de materiales.190 ε (mm) Material Plástico (PE, PVC) 0,0015 Poliéster reforzado con fibra de vidrio 0,01 Material ε (mm) Fundición asfaltada 0,06-0,18 Fundición 0,12-0,60 Tubos estirados de acero 0,0024 Acero comercial y soldado 0,03-0,09 Tubos de latón o cobre 0,0015 Hierro forjado 0,03-0,09 Fundición revestida de cemento 0,0024 Hierro galvanizado 0,06-0,24 Fundición bituminoso 0,0024 Madera 0,18-0,90 0,003 Hormigón con Fundición centrifugada revestimiento 0,3-3,0 Para el cálculo de "f" existen múltiples ecuaciones, a continuación se exponen las más importantes para el cálculo de tuberías: Blasius (1911). Propone una expresión en la que "f" viene dado en función del Reynolds, válida para tubos lisos, en los que εr no afecta al flujo al tapar la subcapa laminar las irregularidades. Válida hasta Re < 100000: f = 0,3164 · Re-0,25 Prandtl y Von-Karman (1930). Amplían el rango de validez de la fórmula de Blasius para tubos lisos: 190 http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.htm Página 185 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1/ √f = - 2 log (2,51 / Re√f ) Nikuradse (1933) propone una ecuación válida para tuberías rugosas: 1/ √f = - 2 log (ε / 3,71 D) Colebrook-White (1939) agrupan las dos expresiones anteriores en una sola, que es además válida para todo tipo de flujos y rugosidades. Es la más exacta y universal, pero el problema radica en su complejidad y en que requiere de iteraciones: 1 / √f = - 2 log [(ε / 3,71 D) + (2,51 / Re√f )] Moody (1944) consiguió representar la expresión de Colebrook-White en un ábaco de fácil manejo para calcular "f" en función del número de Reynolds (Re) y actuando la rugosidad relativa (εr) como parámetro diferenciador de las curvas: Fig. 4.1 Diagrama de Moody 191 Manning (1890) Las ecuaciones de Manning se suelen utilizar en canales. Para el caso de las tuberías son válidas cuando el canal es circular y está parcial o totalmente lleno, o cuando el diámetro de la tubería es muy grande. Uno de los inconvenientes de la fórmula es que sólo tiene en cuenta un coeficiente de rugosidad (n) obtenido empíricamente, y no las variaciones de viscosidad con la temperatura. La expresión es la siguiente: h = 10,3 · n2 · (Q2/D5,33) · L 191 http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidasCarga.htm Página 186 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS En donde: h: pérdida de carga o de energía (m) n: coeficiente de rugosidad (adimensional) D: diámetro interno de la tubería (m) Q: caudal (m3/s) L: longitud de la tubería (m) El cálculo del coeficiente de rugosidad "n" es complejo, ya que no existe un método exacto. Para el caso de tuberías se pueden consultar los valores de "n" en tablas publicadas. Algunos de esos valores se resumen en la siguiente tabla. Tabla 4.2 Coeficiente de rugosidad de Manning de materiales.192 Material N Plástico (PE, PVC) Material N 0,006-0,010 Fundición 0,012-0,015 0,009 Hormigón 0,012-0,017 Acero 0,010-0,011 Hormigón con gunita Hierro galvanizado 0,015-0,017 Revestimiento bituminoso Poliéster reforzado con fibra de vidrio revestido 0,016-0,022 0,013-0,016 Hazen-Williams (1905) El método de Hazen-Williams es válido solamente para el agua que fluye en las temperaturas ordinarias (5 ºC - 25 ºC). La fórmula es sencilla y su cálculo es simple debido a que el coeficiente de rugosidad "C" no es función de la velocidad ni del diámetro de la tubería. Es útil en el cálculo de pérdidas de carga en tuberías para redes de distribución de diversos materiales, especialmente de fundición y acero: h = 10,674 · [Q1,852/ (C1,852 · D4,871)] · L 192 http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.htm Página 187 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS En donde: h: pérdida de carga o de energía (m) Q: caudal (m3/s) C: coeficiente de rugosidad (adimensional) D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m) En la siguiente tabla se muestran los valores del coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams para diferentes materiales. Tabla 4.3 Coeficiente de Hazen-Williams para algunos materiales. 193 Material Asbesto cemento C C Hierro galvanizado 120 130-140 Vidrio 140 Ladrillo de saneamiento 100 Plomo 130-140 Hierro fundido, nuevo 130 Plástico (PE, PVC) 140-150 Hierro fundido, 10 años de edad 107-113 Tubería lisa nueva 140 Hierro fundido, 20 años de edad 89-100 Acero nuevo Hierro fundido, 30 años de edad 75-90 Acero 130 Hierro fundido, 40 años de edad 64-83 Acero rolado 110 Lata 130 Latón Concreto 193 140 Material 120-140 140-150 http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.htm Página 188 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Cobre 130-140 Hierro dúctil 120 Madera Hormigón 120 120-140 Scimeni (1925) Se emplea para tuberías de fibrocemento. La fórmula es la siguiente: h = 9,84 · 10-4 · (Q1,786/D4,786) · L En donde: h: pérdida de carga o energía (m) Q: caudal (m3/s) D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m) Scobey (1931) Se emplea fundamentalmente en tuberías de aluminio en flujos en la zona de transición a régimen turbulento. En el cálculo de tuberías en riegos por aspersión hay que tener en cuenta que la fórmula incluye también las pérdidas accidentales o singulares que se producen por acoples y derivaciones propias de los ramales, es decir, proporciona las pérdidas de carga totales. Le ecuación es la siguiente: h = 4,098 · 10-3 · K · (Q1,9/D1,1) · L En donde: h: pérdida de carga o de energía (m) K: coeficiente de rugosidad de Scobey (adimensional) Q: caudal (m3/s) D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m) Se indican a continuación los valores que toma el coeficiente de rugosidad "K" para distintos materiales. Página 189 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 4.4 Coeficiente de rugosidad de Scobey para algunos materiales.194 Material K Material K Acero galvanizado con acoples 0,42 Acero nuevo 0,36 Aluminio 0,40 Fibrocemento y plásticos 0,32 Veronesse-Datei Se emplea para tuberías de PVC y para 4 · 104 < Re < 106: h = 9,2 · 10-4 · (Q1,8/D4,8) · L En donde: h: pérdida de carga o energía (m) Q: caudal (m3/s) D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m) Pérdidas de carga en singularidades. Además de las pérdidas de carga por rozamiento, se producen otro tipo de pérdidas que se originan en puntos singulares de las tuberías (cambios de dirección, codos, juntas...) y que se deben a fenómenos de turbulencia. La suma de estas pérdidas de carga accidentales o localizadas más las pérdidas por rozamiento dan las pérdidas de carga totales. Salvo casos excepcionales, las pérdidas de carga localizadas sólo se pueden determinar de forma experimental, y puesto que son debidas a una disipación de energía motivada por las turbulencias, pueden expresarse en función de la altura cinética corregida mediante un coeficiente empírico (K): h = K · (v2 / 2g) En donde: 194 h: pérdida de carga o de energía (m) K: coeficiente empírico (adimensional) http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.htm Página 190 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS v: velocidad media del flujo (m/s) g: aceleración de la gravedad (m/s2) El coeficiente "K" depende del tipo de singularidad y de la velocidad media en el interior de la tubería. En la siguiente tabla se resumen los valores aproximados de "K" para cálculos rápidos. Tabla 4.5 Valores del coeficiente k en pérdidas singulares. 195 Accidente K L/D Válvula esférica (totalmente abierta) 10 350 Válvula en ángulo recto (totalmente abierta) 5 175 Válvula de seguridad (totalmente abierta) 2,5 - Válvula de retención (totalmente abierta) 2 135 Válvula de compuerta (totalmente abierta) 0,2 13 Válvula de compuerta (abierta 3/4) 1,15 35 Válvula de compuerta (abierta 1/2) 5,6 160 Válvula de compuerta (abierta 1/4) 24 900 - 40 T por salida lateral 1,80 67 Codo a 90º de radio corto (con bridas) 0,90 32 Codo a 90º de radio normal (con bridas) 0,75 27 Válvula de mariposa (totalmente abierta) 195 http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.htm Página 191 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Codo a 90º de radio grande (con bridas) 0,60 20 Codo a 45º de radio corto (con bridas) 0,45 - Codo a 45º de radio normal (con bridas) 0,40 - Codo a 45º de radio grande (con bridas) 0,35 - 4.5 VELOCIDAD DE GIRO EN BOMBAS.196 REGULADOR DE VELOCIDAD. El regulador de velocidad tiene por misión regular la velocidad máxima y minima (principalmente) que el motor puede alcanzar cuando decrece su par resistente o cuando trabaja en vacío, actuando sobre la cremallera que regula la dosificación de combustible a inyectar en los cilindros del motor. Como se sabe la cantidad de combustible a inyectar en los cilindros depende de la posición que ocupe la cremallera en la bomba de inyección, la cremallera es accionada por el pedal del acelerador. Sin embargo, puede ocurrir que, en posición de plena carga, el motor se revolucione al decrecer su par resistente (p, ejemplo: al bajar una pendiente). Entonces el regulador para máxima velocidad desplaza la cremallera, de forma que disminuya el combustible o caudal a inyectar a medida que el número de revoluciones aumenta. El regulador para velocidad mínima del motor actúa cuando, estando la cremallera en posición de mínimo consumo, la carga o par resistente en el motor aumenta, con lo cual, al decrecer el número de revoluciones, este podría detenerse. En estas condiciones, el regulador desplaza a la cremallera para aumentar el suministro de combustible en la medida suficiente para incrementar el nº de r.p.m. y evitar que se cale. La regulación en mínima velocidad sirve para el tarado de marcha en ralentí. 196 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 192 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 4.2 Regulador de velocidad 197 Los reguladores empleados para bombas de inyección en línea puedes ser de tres tipos: Mecánicos (de fuerza centrífuga) Neumáticos (de vacío) Regulador mecánico de velocidad por medio de la fuerza centrifuga Los reguladores mecánicos, basan su funcionamiento en los efectos de la fuerza centrífuga. En ellos se disponen unas masas acopladas al árbol de levas de la bomba de inyección, de manera que se desplacen, separándose, cuando la velocidad de rotación del árbol de levas de la bomba aumenta. Este movimiento es transmitido por un sistema de palancas a la barra de cremallera para modificar el caudal inyectado, disminuyéndolo en la proporción necesaria. Si la velocidad de rotación disminuye, las masas se juntan desplazando la barra cremallera en sentido contrario, aumentando así el caudal inyectado. Según la misión los reguladores pueden ser: De mínima y máxima De todas las velocidades Se dice que un regulador es de mínima y máxima, cuando actúa únicamente en los momentos en que el motor tiende a embalarse (sobrepasar la velocidad máxima admisible), o bajar 197 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 193 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS excesivamente de régimen en ralentí. Estos reguladores son los empleados generalmente en los automóviles y camiones. Los reguladores de todas las velocidades son aquellos que actúan cuando se produce cualquier variación del régimen motor que no sea la deseada por el conductor. Se utilizan en motores industriales, tractores, excavadoras, etc, pues en ellos interesa mantener un régimen del motor constante, cualquiera que sean las resistencias opuestas al motor (pendientes a superar, dureza mayor del terreno, etc,). En ellos, el conductor selecciona el régimen más apropiado para realizar el trabajo y el regulador actúa manteniendo ese régimen, en todos los momentos en que pueda producirse variación debido a las diferentes condiciones de trabajo por las que atraviesa el motor. REGULADOR MECÁNICO DE MÍNIMA Y MÁXIMA. El conjunto del regulador está formado por una carcasa, con tapa de aleación ligera, acoplada sobre el lado posterior de la bomba (lado contrario al arrastre) y cuyo interior se alojan el conjunto de piezas que componen el sistema de mando de la cremallera y el equipo de regulación para máxima y mínima velocidad. Fig. 4.3 Despiece del regulador de velocidad mecánico 198 El conjunto de regulación está formado esencialmente por las masas rotantes (12) que se desplazan por efecto de la fuerza centrifuga sobre unos pernos (18) acoplados sobre el extremo del árbol de levas de la bomba, cuyo desplazamiento es controlado por la acción antagonista 198 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 194 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS que oponen unos muelles (13) al desplazamiento de las masas y que las mantienen en posición fija dentro de los limites de mínima y máxima velocidad. Estas masas llevan unas palancas acodadas (7) unidas a un eje de articulación (9) que puede desplazarse axialmente por efecto de la separación de las masas y actúa sobre el sistema de mando de la cremallera. El sistema de mando de la cremallera (15) está formado por una serie de palancas articuladas. La palanca (1) recibe movimiento del acelerador. Sobre un eje montado en el otro extremo va articulada la palanca de mando (6), unida a un patín o dado deslizante (3) que se desplaza por el interior de una palanca hueca o colisa (2), la cual se articula por la parte superior, por medio de un perno, a la horquilla de mando (16) de la cremallera (15). Por el otro lado descansa sobre el eje de articulación (9), oscilando sobre la pieza (8) por el movimiento pendular que le imprime el patín (3), al ser accionado por el pedal del acelerador. Fig. 4.4 Regulador de velocidad centrifuga 199 Para comprender mejor el funcionamiento del regulador de mínima y máxima, sacamos de dentro de la carcasa los mecanismos que intervienen en la regulación de la velocidad. En este nuevo esquema (figura inferior) se ven la dos masas rotantes (A) montadas sobre un eje que va unido al árbol de levas (B) y, por tanto, están sometidas a un movimiento de rotación acompañando al árbol de levas. Estas masas tienden a separarse por efectos de la fuerza 199 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 195 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS centrifuga, pero sus movimientos son frenados por unos muelles. Las masas rotantes (A) tienen un mecanismo interno que vemos en la figura (más inferior) formado por un eje (D) y unos muelles (B) y (C) de ralentí y de velocidad máxima respectivamente. Un sistema de reglaje (D), permite modificar el tarado de los muelles. Apretando la tuerca correspondiente, se da más tensión a los muelles. Los movimientos de masa (A) son transmitidos por mediación de la palancas (C) a la cremallera (D), a través de la palanca (E), que puede girar sobre la excéntrica (F) en cualquier posición del eje (G), que a su vez es mandado por el pedal del acelerador. Fig. 4.5 Regulador fuera de carcasa 200 La dosificación del combustible a inyectar va a depender tanto de la acción del conductor al pisar el pedal acelerador como por la acción del regulador sobre la cremallera: Acción del conductor: cuando el conductor acelera, se hace girar la excéntrica (F) por medio del eje (G) que es mandado por el pedal del acelerador. Este movimiento provoca el desplazamiento de la barra cremallera en el sentido de la flecha, por medio de la palanca (E). La barra cremallera, a su vez, hace girar los pistones de los elementos de inyección, aumentando así el caudal inyectado. Así mismo, si el conductor levanta el pie del acelerador, el movimiento obtenido en la barra cremallera es contrario, disminuyendo el caudal inyectado. 200 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 196 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 4.6 Acción del conductor 201 La misión del regulador es mover la cremallera en uno u otro sentido, independientemente de la acción del conductor, únicamente para controlar la velocidad mínima y máxima. No actúa para ninguna otra velocidad. Fig. 4.7 Acción del regulador 202 El regulador provoca el movimiento de la cremallera hacia el "stop" cuando el régimen alcanzado por el motor sobrepasa la velocidad máxima preestablecida por el constructor. 201 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm 202 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 197 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Además de esto, actúa sobre la cremallera, desplazándola en uno y otro sentido para mantener el régimen del motor en ralentí. Si el motor está girando al ralentí, las masas (A) tienden a separarse por la acción de la fuerza centrifuga venciendo la fuerza que ofrece el muelle (B) de ralentí, que se comprime un poco. Inmediatamente de haber efectuado la masa esta pequeña carrera, entra en acción el muelle de máxima, que es más grueso y, por tanto, más potente, impidiendo que la masa pueda seguir separándose. Con esto se consigue un ralentí estable que se mantenga entre unos límites que impide por un lado que el motor se cale y por otro (muelle grueso) que el nº de r.p.m. del motor a ralentí sea excesivo. Cuando el régimen del motor es muy elevado, sobrepasando los límites establecidos, la acción de la fuerza centrifuga que actúa sobre las masas, hace que estas se separen al máximo venciendo la acción de los muelles de máxima y mínima, con lo cual, este movimiento es transmitido a la barra cremallera, por medio de las correspondientes palancas, haciéndola moverse hacia la posición del "stop", con lo que disminuye el caudal inyectado y el motor bajara de régimen aunque el conductor siga pisando el pedal del acelerador, no pudiendo por tanto sobrepasar el régimen máximo establecido. Cuanto más tiende el motor a subir de régimen (por ejemplo: cuando se baja una pendiente) mayor es la acción del regulador. Fig. 4.8 Desplazamiento de las masas rotantes 203 203 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 198 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS REGULADOR MECÁNICO DE TODAS VELOCIDADES. Este modelo de regulador consta de una palanca (A) accionada por el acelerador, que a su vez, por medio de los muelles (B, C, y D), hace moverse el plato (E), al cual va unida la barra cremallera. Si el conductor acelera, la palanca (A) se mueve de su extremo superior hacia la derecha, con lo cual, su extremo inferior se desplaza a la izquierda y, por medio de los muelles (B, C y D) empuja el plato (E) hacia la izquierda, el cual transmite este movimiento a la cremallera aumentando así el caudal inyectado y, por tanto, el régimen del motor. Si se mantiene la posición del acelerador y el motor tiende a subir de revoluciones, los contrapesos (I) se separan, haciendo que el plato móvil (E) se separe del fijo (F) venciendo la acción de los muelles (B, C, y D). Este movimiento hace que la cremallera se desplace un poco hacia el "stop", disminuyendo el caudal inyectado y, por consiguiente, el giro del motor. Si por el contrario, el giro del motor tiende a disminuir, para una posición determinada del acelerador, las masas (I) tienden a juntarse, con lo cual, el plato móvil (E) se aproxima más al fijo (F) gracias a la acción de los muelles (B, C y D). Este movimiento es transmitido a la cremallera, que al moverse hacia a la izquierda hace aumentar el caudal de inyección, con lo que se mantiene el régimen de giro del motor. Fig. 4.9 Regulador mecánico 204 Como puede comprenderse, las acciones de este tipo de regulador se manifiestan a cualquier velocidad de rotación del motor y, por consiguiente, esta velocidad puede mantenerse sensiblemente constante cualquiera que sean los esfuerzos a vencer por el motor en todo momento (por ejemplo: subidas de pendientes pronunciadas). La acción de los muelles (B, C y 204 http://www.mecanicavirtual.org/curso-bomba-linea-regulador.htm Página 199 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS D) se realiza escalonadamente, siendo el muelle (C) el que actúa en ralentí y el muelle (D) en alto régimen, mientras que el muelle (B) permite dar un mayor caudal a la bomba en los momentos de arranque del motor. VELOCIDAD DE GIRO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA.205 La velocidad de giro, conocida también como velocidad nominal, velocidad sincrónica de la turbina o velocidad de sincronismo del grupo, depende fundamentalmente de la frecuencia a que ha de ser suministrada la corriente eléctrica, normalmente de 50 períodos por segundo, y del número de pares de polos del alternador, además de otros factores que determinan precisamente las características de éste último, como son altura del salto de agua, potencia, tensión generada, etc. Por considerar de ciertos valores la expresión de la fórmula que determina el número de revoluciones de funcionamiento normal de un grupo, la exponemos a continuación, dejando para un apartado posterior 9.10, el concepto de velocidad específica. Tenemos: En donde: n = número de revoluciones por minuto (r.p.m.). f = frecuencia del sistema 50 períodos por segundo (p.p.s ). P = número de pares de polos del alternador (Pe mayúscula). 60 = segundos en un minuto. Ejemplo: Cuál es el número de r.p.m. a que deberá de girar el eje de un grupo, cuyo alternador tiene 16 pares de polos, siendo el suministro de corriente a 50 p.p.s. Caso de operar con el número total de polos, que identificaremos por p (pe minúscula), la fórmula anterior se transforma del modo siguiente: 205 http://usuarios.lycos.es/jrcuenca/Spanish/Turbinas/T-9.1.htm Página 200 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ; Tendremos, para el ejemplo anterior: 16 pares de polos = 32 polos Los valores de la velocidad de giro n, en las turbinas hidráulicas están comprendidos entre 75 r.p.m. y 1000 r.p.m., según se deduce de la siguiente tabla. No obstante, todos los tipos de turbinas se proyectan para poder soportar, momentáneamente, velocidades muy superiores a las de funcionamiento normal, surgidas ante las variaciones de carga, según consideraremos en breve. Tabla 4.6 velocidades de sincronismo de los grupos accionados por turbinas hidráulicas. 206 Nº de pares de polos Velocidad en rpm Nº de pares de polos Velocidad en rpm Nº de pares de polos Velocidad en rpm Nº de pares de polos Velocidad en rpm 40 75 28 107.1 18 166.7 8 375 38 78.9 26 115.4 16 187.5 7 428.6 36 83.3 24 125 14 214.3 6 500 34 88.2 23 130.4 13 230.8 5 600 32 93.8 22 136.4 12 250 4 750 30 100 20 150 10 300 3 1000 206 http://usuarios.lycos.es/jrcuenca/Spanish/Turbinas/T-9.1.htm Página 201 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Hasta aquí hemos tratado los valores que han de permanecer constantes necesariamente, como son la frecuencia y, por consiguiente, la velocidad, ante los inevitables y constantes cambios de carga o potencia solicitados al grupo. Ahora bien, recordando la expresión de la potencia de una turbina, en CV, tenemos: De donde deducimos que el único factor con amplias posibilidades de ser modificado, en función de la potencia solicitada es el caudal Q que llega al rodete, ya que los demás valores de la ecuación son prácticamente constantes. Dicha variación o acomodación del caudal de agua, que incide sobre el rodete de la turbina, se consigue actuando sobre el distribuidor, bien sobre las válvulas de aguja en el caso de las turbinas Pelton, las palas directrices de las turbinas Francis y de hélice, o las palas directrices y palas del rodete de las turbinas Kaplan. En centrales pequeñas, es posible regular el caudal de agua de forma manual, siendo el operador de la instalación quien acciona directamente los dispositivos adecuados que permiten controlar el paso de agua hacia el rodete. Así sucede en el caso de pequeñas turbinas Paltón, en las que la posición de la válvula de aguja del inyector puede ser modificada, por medio de un volante dispuesto a tal fin. Procedimiento no recomendable por exigir la presencia constante del operador y, además, por ser una regulación lenta y poco precisa. Cuando se trata de grandes instalaciones expuestas a variaciones de carga entre límites muy amplios, el distribuidor es gobernado, controlado y regulado mediante el equipo de regulación según las órdenes recibidas de un regulador automático de velocidad, disponiendo todo el conjunto, para cumplir su misión, de un sistema de aceite a presión, del cual nos ocuparemos oportunamente. Página 202 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 203 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD V TURBINAS HIDRÁULICAS Página 203 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD V TURBINAS HIDRAULICAS. 5.1 CLASIFICACIÓN DE TURBINAS Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las turbinas hidráulicas207. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina. Por el número de revoluciones específicas: • • • • Turbinas LENTAS. Turbinas NORMALES. Turbinas RÁPIDAS. Turbinas EXTRARRÁPIDAS Según la posición del eje: • • Turbinas HORIZONTALES. Turbinas VERTICALES Por el modo de admisión del agua: • • Turbinas de ADMISIÓN PARCIAL. Turbinas Pelton. Turbinas de ADMISIÓN TOTAL. Francis y Kaplan. Por la dirección del agua dentro de la turbina respecto al eje de rotación, o dirección de entrada del agua: • • • • Turbinas RADIALES. Turbinas AXIALES. Turbinas RADIALES-AXIALES. Turbinas TANGENCIALES. Por las características de la cámara: • • 207 Turbinas de CÁMARA CERRADA. Turbinas de CÁMARA ABIERTA. Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.223 Página 204 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Por la función desarrollada: • • Turbinas REVERSIBLES. Turbinas NO REVERSIBLES. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico. Por la manera de actuar los chorros o las láminas de agua sobre o a través de las palas, alabes, etc.: • • Turbinas de ACCIÓN. Turbinas de REACCIÓN. Turbinas de Acción. En ellas existe un componente interno, denominado estator, en el que se transforma la energía de presión del agua en energía cinética. Este componente forma parte de la estructura externa y fija de la máquina. Está constituido por conductos convergentes por los que circula el agua, acelerándose a costa de disminuir su energía de presión. Los conductos están delimitados por álabes, denominados toberas, que descargan el agua sobre los álabes del rotor, que suelen tener forma de cucharón. En el rotor de la máquina es donde se produce la transformación de la energía cinética del agua en el trabajo en el eje de la turbina. La turbina más utilizada es la Turbina Pelton. Fig 5.1 Esquema de Turbina Pelton 208 208 • Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas • Turbina Schwamkrug, (1850), radial y centrífuga, Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.224 Página 205 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig 5.2 Esquema de Turbina Schwamkrug209 • Turbina Girard, (1863), Fig 5.3, axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no subía de nivel, trabajaba como una de acción normal, mientras que si el nivel subía y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reacción, aunque no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza. Fig 5.3 Esquema de Turbina Girard 210 • 209 210 Turbina Michel, o Banki, Fig. 5.4; el agua pasa dos veces por los álabes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeños y grandes saltos. Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Página 206 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig 5.4 Esquema de Turbina Michel 211 Turbinas de Reacción. En este tipo de turbina, no toda la energía de presión del agua se transforma en energía cinética en el estator. El rotor esta diseñado para que, además de producirse la transformación la energía cinética en trabajo, también se produzca la transformación de la energía de presión que aún le queda al agua en la entrada, en energía cinética. En este caso el agua sale del rotor con una presión por debajo de la atmosférica. Las turbinas que pertenecen a este grupo suelen tener básicamente los cuatro elementos que se comentan a continuación: Figura 5.5. Fig 5.5 Funcionamiento de una turbina de reacción 212 211 212 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Página 207 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Carcasa o caracol: Forma parte de la estructura fija de la máquina y tiene forma espiral. En ella se convierte parte de la energía de presión del agua en energía cinética, dirigiendo el agua alrededor del distribuidor Distribuidor: Está compuesto por dos coronas concéntricas de álabes. La exterior es de álabes fijos (estator) y la interior, de álabes móviles (rotor). Los primeros se encargan de guiar el agua con la dirección adecuada y los segundos regulan el caudal de la turbina sin que las venas de fluido sufran desviaciones bruscas o contracciones, permitiendo un rendimiento elevado incluso son cargas reducidas Rodete: Es el órgano móvil en el que se transforma la energía y la presión del agua en trabajo. Difusor: Es un tubo divergente que recupera parte de la energía cinética del fluido. Las turbinas de reacción mas utilizadas son la Francis y la Kaplan. • Turbina Fourneyron (1833), Fig 5.6, en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrífuga, lo que supone un gran diámetro de rodete; en la actualidad no se construye. Fig 5.6 Esquema de Turbina Fourneyron 213 • 213 Turbina Heuschel-Jonval, Fig 5.7, axial, y con tubo de aspiración; el rodete es prácticamente inaccesible; en la actualidad no se construye. Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Página 208 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig 5.7 Esquema de Turbina Heuschel- Jonval214 • Turbina Francis (1849), Fig 5.8; es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado número de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extrarápidas. Son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción, conceptos que se ampliarán en su momento. Fig 5.8 Esquema de Turbina Francis215 214 215 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Página 209 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS • Turbina Kaplan (1912), Fig 5.9; las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice. Fig 5.9 Esquema de Turbina Kaplan 216 5.1.1 TURBINA PELTON. Las turbinas Pelton217, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción. Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente). Por razones hidroneumáticas, y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan pocas unidades en cada central que requiere turbinas de estas características. Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias. Normalmente este tipo de turbina se utiliza con saltos hidráulicos altos, por encima de los 300 metros, con un rango de potencias de 400 Kw. a 110 MW. Son máquinas con una alta disponibilidad y bajo costo de mantenimiento, y su rendimiento es alto, pues supera el 90%. Son máquinas con eje horizontal, y para caudales grandes suelen utilizarse 216 217 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.247 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.249 Página 210 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS chorros múltiples, hasta 6, en diversas posiciones del rotor, aunque lo habitual es que sean caudales relativamente pequeños respecto al salto. Los componentes esenciales de una turbina Pelton, enumerados, dentro de lo posible y cuando corresponda, siguiendo la trayectoria del agua a través de la misma. Fig 5.10 Turbina Pelton con dos ejes de Inyección 218 5.1.2 TURBINA FRANCIS. Son conocidas como turbinas de sobrepresión219 por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción, conceptos que se ampliarán en su momento. El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). Consideraremos la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las características del salto. • • 218 219 Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más). Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.249 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.262 Página 211 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS • Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m). El concepto de velocidad específica se tratará adecuadamente en el apartado Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes (para 60 % y 100 % del caudal máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total. Suelen ser máquinas de eje vertical. La velocidad del fluido, al entrar en la turbina, está contenida en un plano perpendicular al eje y tiene las componentes, radial y circunferencial. A medida que el agua recorre la máquina, la componente radial se transforma gradualmente en componente axial y la componente circunferencial se va reduciendo de forma que a la salida del rodete, el flujo es prácticamente axial con un pequeño torbellino. La presión de salida se hace inferior a la atmosférica, y la energía cinética con la que sale el agua de la turbina se convierte en energía de presión en la tubería de salida. Se fabrican para una gama de potencias muy amplia, desde 1 a 250 MW. Fig 5.11 Turbina Francis de eje vertical 220 Fig 5.12Turbina Francis de eje horizontal 221 5.1.3 TURBINA KAPLAN. Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan222, son turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. 220 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.262 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.250 222 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.281 221 Página 212 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Y con potencias entre 20 y 600 MW. En este caso el rodete esta formado por una hélice de eje vertical con pocos álabes y gran sección de paso entre ellos. Los álabes del distribuidor están situados a una altura relativamente menor, de forma que el flujo es prácticamente axial. Cuando se funciona a un caudal variable, es necesario inclinar los álabes del rodete, afectando al conjunto de todos ellos por igual. Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Las turbinas Kaplan entran en competencia con las turbinas Francis para saltos entre 30 y 70 metros. Las primeras presentan la ventaja de adaptarse mejor a las variaciones de carga, funcionando con un buen rendimiento al 40% de la carga máxima, mientras que en la Francis, aproximadamente a un 60% de la carga máxima, aparece un fenómeno denominado antorcha que puede dar lugar a fuertes vibraciones. Existen dos tipos más de turbinas de reacción que son muy utilizadas, las denominadas Bulbo y Deriaz. Las primeras se usan en minicentrales de 100 Kw. a 1 MW, con saltos inferiores a los 10 metros y con distribuidores fijos. También se utilizan las turbinas Bulbo, pero con distribuidores móviles, en los ríos de gran caudal y con saltos entre 5 y 20 metros, normalmente en centrales con potencia inferior a los de 50 M W. las turbinas Deriaz se emplean en saltos entre los 20 y 400 metros y con una potencia máxima de 300 MW, necesitando menor volumen de excavación que las Francis de rango equivalente y menor diámetro que las Kaplan también del mismo rango. Fig 5.13 Turbina Kaplan 223 223 Mataix Claudio, 1990, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Oxford, México, P.281 Página 213 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 5.2 VELOCIDAD SINCRÓNICA La velocidad de giro del rodete, N, medida en revoluciones por minuto, depende del tipo de generador que se use y de la frecuencia deseada; está dada por la expresión: N=60f / p Donde: f = Frecuencia eléctrica, en Eros (Hz), que equivale a ciclos por segundo p = Numero de pares de polo del generador Generalmente, la flecha de la turbina tiene una conexión directa con la del rotor del generador, por lo que ambos elementos giran a la misma velocidad Ns, llamada por este motivo, velocidad sincronía. 1/ 2 Ns = N P H 5/ 4 Los valores comunes de pares de polos p del generador, son los siguientes: p = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,…(de dos en dos hasta 50). Mientras el generador sea más grande, y por consiguiente también la turbina conectada a el, es posible colocar un mayor número de polos; lo que además es deseable, ya que así puede disminuirse la velocidad de giro en máquinas grandes. 5.3 SELECCIÓN DE TURBINAS. Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (Ns)224cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación: 1/ 2 Ns = N P Hn 5/4 ------ Ecuación 1 Donde: N = Son revoluciones por minuto. P = Es la potencia Hn =Es la altura neta. Estos son los valores para el rendimiento máximo. 224 Giles Ronald V, 1962, Mécánica de los Fluidos e Hidráulica, Ed. Serie Schaum, Colombia, P. 212 Página 214 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La velocidad específica Ns es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en la siguiente tabla. Tabla 5.1 Selección de turbinas según su velocidad específica y su carga. 225 Ns' (r.p.m.) Tipo 4-35 17-50 20-60 24-70 30-85 70 100 150 200 250 300 350 400 450 300 500 800 1 000 Pelton de 1 chiflón Pelton de 2 chiflón Pelton de 3 chiflón Pelton de 4 chiflón Pelton de 6 chiflón Francis Lenta Francis Lenta Francis Lenta Francis normal Francis normal Francis rápida Francis rápida Francis express Francis express Kaplan y hélice Kaplan y hélice Kaplan y hélice Kaplan y hélice Cargas máximas H(m) 2 200 150 380 220 110 80 60 45 35 30 25 70 40 10 6 Tal como se mencionó anteriormente Ns sirve para clasificar las turbinas según su tipo. De hecho, Ns se podría denominar más bien característica, tipo o algún nombre similar, puesto que indica el tipo de turbina. 225 http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas Página 215 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Al analizar la ecuación 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad específica baja como una rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeño, pero, a menudo, en estas condiciones el tamaño necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado. Además, de esta ecuación se observa que la velocidad específica de una turbina depende del número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con_ el que el rendimiento es máximo. También depende de la potencia N a desarrollar, función a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más adecuado. Hasta el momento, las ruedas de impulso se han utilizado para alturas tan bajas como 50 pies cuando la capacidad es pequeña, pero es más frecuente que se utilicen para alturas mayores de 500 o 1.000 pies, pues normalmente operan con una economía máxima si la carga es mayor que 900 pies. La altura límite para turbinas Francis es cercana a 1.500 pies debido a la posibilidad de cavitación y a la dificultad para construir revestimientos con el fin de soportar altas presiones; pero por lo general, suelen alcanzarse cargas de 900 pies con este tipo de turbinas. Para cargas de menos de 100 pies suelen usarse turbinas de hélice. Eligiendo una velocidad alta de operación, y por tanto una turbina de velocidad específica elevada, se reducirán el tamaño del rodete y el coste inicial. Sin embargo, se produce alguna pérdida de rendimiento a velocidades específicas altas. Generalmente, es recomendable tener al menos dos turbinas en una instalación para que la central pueda seguir funcionando en el caso de que una de las turbinas esté fuera de servicio por una reparación o debido a una inspección, aunque la cantidad de turbinas disponibles dentro de una central también afecta la potencia establecida para las turbinas. La altura h está determinada principalmente por la topografía, y el flujo Q por la hidrología de la cuenca y las características del embalse o depósito. Por otra parte debe tenerse en cuenta que al seleccionar una turbina para una instalación dada, se debe verificar la inmunidad contra la cavitación. Realmente existe un número infinito de alternativas, lo que a su vez dificulta la toma de la decisión final sobre cuál turbina escoger; por esta razón se han señalado los siguientes conceptos para considerarlos durante el proceso de selección: La flexibilidad en la elección se consigue mediante la variación en el número de unidades (y por tanto la potencia al freno por unidad) y la velocidad de operación. La posibilidad de variar la elevación del eje también aporta algo de flexibilidad al proceso de selección. Página 216 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Igualmente en la elección debe estudiarse además, la simplicidad de la instalación, costos (en los que se agregarán al de la turbina, los gastos de piezas, tuberías, camales, etc.), explotación y cuantas condiciones económicas deban considerarse en los diferentes casos que se presenten. ELECCIÓN PELTON – FRANCIS – KAPLAN Francis, debido a su buena comercialización y las condiciones de 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 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 coste 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 “Pelton o Francis” para estos dos tipos de turbina, existiendo como ya se mencionó anteriormente una zona intermedia en la que decidirán sobre la elección entre Pelton y Francis las condiciones locales, como son: limpieza del agua, naturaleza de la carga que ha de atender la central, etc. Pero vale la pena resaltar que esto no quiere decir que no existan turbinas Francis dentro de la zona señalada para las Pelton, funcionando en perfectas condiciones. El problema adquiere mayor complicación, si al mismo tiempo que está indeterminado el tipo de turbina, se puede variar el número de grupos (cantidad de turbinas en la central). Como resumen se presentan las ventajas de cada tipo de turbina, a fin de que puedan servir de guía en casos límite: Tabla 5.2 Grandes alturas de salto (ventajas).226 1 226 Turbinas Pelton 2 Turbinas Francis http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas Página 217 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Más robustas Menos peligro de erosión de los álabes Reparaciones más sencillas Regulación e presión y velocidad más fácil Mejores rendimientos a cargas parciales Infraestructura más sencilla. Menor peso Mayor rendimiento máximo Aprovechan mayor desnivel, debido al tubo de aspiración Alternador más económico Dimensiones en planta de la central más reducidas Tabla 5.3 Alturas medias de salto (ventajas) .227 Turbinas Francis Mayor economía en la turbina. Menos costo de excavación y cimientos. Mejores rendimientos a cargas parciales que las hélices de palas fijas. Menor peligro de cavitación. Turbinas Kaplan Mejores rendimientos a cargas parciales. Mejores rendimientos con alturas de salto variables. Menos obra de fábrica que las hélices de palas fijas. Alternador más barato. Turbinas con hélices de palas fijas Buen rendimiento máximo. Más baratas que las Kaplan. Gran admisión con saltos pequeños. Alternador más barato. 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. Igualmente debe mencionarse la elección previa de la turbina, que se efectúa en el anteproyecto o proyecto provisional, en la que se determinan aproximadamente las dimensiones de la turbina y de las obras de fábrica que la rodean, a fin de estimar el coste de 227 http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas Página 218 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS éstas y organizar los trabajos; de la elección definitiva de las turbinas, que únicamente se podrá realizar después de haber consultado a las casas constructoras. Finalmente, en la consulta dirigida a las casas constructoras se indicarán todos los datos que se hayan determinado de antemano, como son: número de grupos, alturas de salto máxima, media y mínima; caudales máximo y mínimo para un salto determinado llamado crítico, utilización de la energía en el día y en el año, niveles máximo y mínimo de agua abajo, naturaleza del agua, impurezas, temperatura, cota sobre el nivel del mar, etc. Se examinarán las ofertas recibidas, comparando precios de turbinas y alternadores, rendimientos y obras de fábrica necesarias, efectuando un estudio económico para ver qué solución resulta más ventajosa, o sea para cuál es mínima la suma de gastos de conservación anuales, coste de la energía perdida en el año e interés y amortización del capital invertido. Fig. 5.14 Esquema turbina Kaplan y Pelton. 228 Puede caracterizarse una máquina hidráulica por su potencia P, su carga neta H y su velocidad de giro N (la combinación de P y H, implica el gasto Q). En el caso de las turbinas, cuya característica preponderante es sin duda la potencia, se define su funcionamiento con los valores: N, P y H. Actualmente existe la tendencia a usar el KW como unidad de potencia para los dos sistemas de unidades. En cualquier caso, debe tenerse especial cuidado en saber qué unidades básicas se están considerando, ya que de ello dependen los parámetros de la turbina específica. En este libro se usarán como unidades básicas el metro (m) y el caballo de vapor (CV). 228 http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas Página 219 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS De acuerdo con lo dicho, todas las turbinas (o bombas) que tengan la misma velocidad específica Ns, tendrán que ser semejantes entre sí, es decir, “del mismo tipo”. Por esta razón, este parámetro se utiliza para seleccionar la clase de turbina apropiada para cada caso. N s = NQ Hn 1/ 2 3/4 Problemas de clases ejemplo: Problema; Selección de tipo de turbina apropiado; Se dispone de los siguientes datos: Hn =100 m P =2500 CV N =180r.p.m. Tabla 5.4 Selección de turbinas según su velocidad específica y su carga .229 229 Ns' (m-CV) Tipo 4-35 17-50 20-60 24-70 30-85 70 100 150 200 250 300 350 400 450 300 500 800 1 000 Pelton de 1 chiflón Pelton de 2 chiflón Pelton de 3 chiflón Pelton de 4 chiflón Pelton de 6 chiflón Francis Lenta Francis Lenta Francis Lenta Francis normal Francis normal Francis rápida Francis rápida Francis express Francis express Kaplan y hélice Kaplan y hélice Kaplan y hélice Kaplan y hélice Cargas máximas H(m) 2 200 150 380 220 110 80 60 45 35 30 25 70 40 10 6 http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas Página 220 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Ns = (180 ) 2500 1005 / 4 1/ 2 = 28.46 rpm Solución: Si se tomara la carga como criterio por medio de la tabla (5.4) se seleccionaría tres turbinas tipo Francis Lenta. Pero relacionando la velocidad específica es, Ns =28.46 rpm, y este parámetro que reúne Hn, P y N, y se tomaría como solución 1 turbina Pelton de 1 a 4 chiflones Ejemplo Problema; ¿Qué tipo de turbina debe instalarse? Si se dispone de los siguientes datos: Si P =115 000 CV f =60 Hz P =24 Hn = 40 cm Solución: Se calcula la velocidad de giro del rodete: 60 f 60(60) N= = = 150rpm p 24 Se calcula la velocidad espesifica; 1/ 2 115000 = 505.67 rpm Ns = (150) 405 / 4 Deacuerdo a la tabla 5.IV, la selección correcta es de: Turbina Kaplan 5.4 NÚMERO Y TIPO DE UNIDADES. Con esta expresión puede determinarse el No de unidades “Z”, si se conoce el valor aceptado de Ns o inversamente la velocidad espesifica que tendrá cada rodete si se conoce el No de unidades del proyecto. N s = N ( ZP ') H Ns Z = 1/ 2 5/4 1/ 2 1/ 2 NP ' 5/4 H Página 221 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Z = N s N 's 2 Existen limitaciones para el valor máximo aceptable de Ns' según la carga disponible. Las razones principales consisten en garantizar que no aparezcan esfuerzos de trabajo excesivos, tanto en la estructura del distribuidor como en el rodete de la turbina, y aún en el mismo rotor del generador. Por otra parte, al bajar el valor de Ns' por utilizarse varias unidades disminuye el peligro de cavitación, fenómeno que siempre debe evitarse. Ejemplo Problema Para los datos siguientes calcule ¿Cuántas unidades y de que tipo deben de instalarse? Datos del proyecto: H =130m Q =300 m³/s η=0.80 N=200 r.p.m. Solución: P = 13.33 ∗ η ∗ Q ∗ H n P = (13.33) ∗ (0.80) ∗ (130) = 415896 CV 1/ 2 N s = N Q Hn 3/4 1/ 2 415896 = 293.83 rpm 1305 / 4 Los valores corresponden a una turbina Francis normal. Pero considerando la carga de 130m, se toma un promedio del rango de la turbina seleccionada. Ns' = 140(interpolado), sustituyendo en la siguiente formula para la obtención del numero de unidades. Ns = (200 ) Z = 293 . 83 140 2 = 4 . 40 = 5unidades Es decir, se colocaran 5 unidades con una velocidad específica de: N' s = 293 . 83 5 = 131 . 40 rpm Al regresar a la tabla 5.4 se trata de máquinas tipo Francis lenta. Página 222 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 5.5 CAVITACIÓN EN TURBINAS.230 La cavitación o aspiración en vació es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implota (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosión han, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. TIPOS DE CAVITACIÓN Se distinguen dos tipos de cavitación: • Cavitación en burbuja transitoria: Las burbujas aparecen repentinamente sobre el contorno del cuerpo sólido sumergido en el líquido, que crecen en extensión y desaparecen. • Cavitación estacionaria o laminar: Las burbujas se forman en el contorno del cuerpo y permanecen sobre él, mientras no varían las causas productoras. Básicamente la cavitación, ocurre en el momento en que un liquido es sometido a una presión (P1) igual o menor que su presión de vaporización (Pv) instantes después es regresado a una presión mayor (P2), a la presión de vapor de este. En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos, las cuales al ser comprimidas 230 Giles Ronald V, 1962, Mécánica de los Fluidos e Hidráulica, Ed. Serie Schaum, Colombia, P. 242 Página 223 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS por la presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado liquido se aceleren y choquen unas con otras. Altura de Succión En las turbinas de reacción, al salir el agua de los rodetes es conducida al desfogue por el tubo de aspiración que permite aprovechar la carga al máximo. Se llama presión de vaporización de un líquido a aquella que lo hace entrar en ebullición, y es una característica que depende únicamente de la temperatura. Como es bien sabido, al nivel del mar (10.33 m de columna de agua) el aguan hierve a 100 °C , pero en un conducto sometido a presión pueden aparecer presiones absolutas mucho menores que la atmosférica, tales que provoquen la vaporización del agua a temperaturas muy distintas. En el caso de las turbinas de reacción este control se realiza proyectando adecuadamente el desnivel entre el rodete y el desfogue, mismo que se denomina altura de succión. El conocido fenómeno de la ebullición produce burbujas a baja presión, que si el liquido esta en movimiento, son arrastradas a zonas de mayor presión donde se aplastan bruscamente, en el caso de las turbinas de reacción este control se realiza proyectando adecuadamente el desnivel entre el rodete y el desfogue mismo que se denomina altura de succión, se tendrá: H s + V 2g 2 1 + H 1 = V 2g 2 2 + H A + h 1 _ 2 Donde hf1-2 = Es la perdida de energía desde que el agua entra en contacto con el rodete hasta que sale por el desfogue. H1 = Presión absoluta en el punto uno. HA = Presión atmosférica Si se acepta que la carga de velocidad en el desfogue es despreciable, de la expresión anterior se concluye que la presión absoluta en el punto 1 es (Ambos medidos en columna de agua) H 1 = H A − H s − V 1 2g 2 − hf 1− 2 Para que no haya cavitación H1 debe ser siempre mayor que la presión de vaporización del agua Hv, matemáticamente debe cumplirse: Página 224 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS H = 1 H A − H s − V 1 2g 2 − hf 1− 2 > H v Hv = Presión de vaporización Hs = Altura de succión Ha = Altura del eje del rodete TH = Coeficiente de Thoma Para evitar la cavitación, el desnivel Hs, (que es la altura de succión), debe sujetarse a la condición: H < s H A − H − v V 1 2 g 2 − hf 1− 2 Thoma comprobó que el término que se encuentra en el paréntesis de esta expresión puede relacionarse con la carga neta Hn, mediante un factor σ que depende de la velocidad específica del rodete. Es decir: 2 v1 2g − hf 1− 2 = σH Donde σ = f (Ns'). Entonces: H s < H A − H v − σH El factor σ, llamado coeficiente de Thoma se obtiene en el laboratorio aumentando la velocidad específica de los rodetes hasta que empiecen a cavitar. La altura de succión Hs, es positiva si el desfogue se encuentra abajo del rodete, como se consideró en este desarrollo, y negativa en el caso contrario. Se puede utilizar las formulas siguientes: Por lo que respecta a la presión atmosférica del lugar, HA , si no se dispone de información registrada con un barómetro, puede hacerse un cálculo. Este se basa simplemente en restar a la presión atmosférica al nivel del mar, la presión de la columna de h metros sobre dicho nivel. Página 225 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La presión atmosférica a h metros sobre el nivel del mar: H A =10− h 900 Formulas particulares que relacionan el N´smax con H para Kaplan. (Morozov). 2088 2702 ≤ Ns P ≥ H H Ns p ≤ 2200 ;20 m ≤ H ≤ 300 m H 0.57 Para Francis: 1553 2334 ≤ Ns P ≥ H H Formulas para indicación de la cavitación, según Schapov. Carga de Succión; N = 60f P Schapov velocidad específica (restricciones) 20m ≤ H ≤ 300m 2420 Ns p ≤ H − 80 Cavitación, según Schapov. (Restricciones) 70m ≤ Ns ≤ 800m N = (N ) P H 1/ 2 s Z = σ = N s N 's ( 0 . 01 N ' s − 0 . 54 ) 45 5/4 2 2 + 0 . 0315 Página 226 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Ejemplo Problema Para un proyecto hidroeléctrico se tiene la siguiente información: H=85 m P =135 MW f =60 Hz p =22 h=680 m.s.n.m. t=40 °C Determiné: a) Número y tipo de unidades b) Altura máxima de succión c) Si se coloca una unidad más, ¿Cuál será la nueva altura de succión? Solución: Cambio de la potencia de MW a C.V.; P= 13.33 ∗135000 = 183627.55C.V . 9.81 1/ 2 163.6(183627.55) Velocidad específica; Ns = = 271.63r. p.m. 851.25 2420 Por Schapov; N ´s = − 80 = 182.49r. p.m. 85 2 Numero mínimo de unidades; 271.63 Z = = 2.22 = 3unidades 182.49 Despejando de 2 Ns Z = Ns´ se obtiene una nueva Ns´ para tres unidades. 271.63 N ´s = = 156.83r. p.m Por medio de la tabla 5.3.1 se selecciona el tipo de turbina que 3 en este caso es una Francis Lenta. b) Seleccionando la altura de succión para tres unidades. Se calcula la HA (altura del eje del rodete); 680 = 9 .2 m H A = 10 − 900 Teniendo una temperatura de 40°C se calcula una HV (presión de vaporización), que se encuentra en la tabla (5.5.3) a si que la presión de vaporización para 40°C es HV = 0.75m. Página 227 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Hv (m) 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 tºC 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Fig 5.6 Selección de la presión de vaporización con relación a la temperatura.231 231 Giles Ronald V, 1962, Mécánica de los Fluidos e Hidráulica, Ed. Serie Schaum, Colombia, P. 248 Página 228 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Calcular el índice de cavitación para tres unidades; σ = (0 . 01 ∗ Ns ´− 0 . 54 ) 2 + 0 . 035 Por lo tanto, 45 σ = (0 . 01 ∗ 156 . 83 − 0 . 54 ) 2 + 0 . 035 45 = 0 . 06 Luego, la altura de succión será HS<HA-HV-TH ; Hs = 9.2 − 0.75 − (0.06 ∗ 85) = 3.35m c) Calculo de la altura de succión, si se coloca una unidad más. N´s = 271.63 = 135.82r. p.m ; HA, seguirá siendo de 9.2m 4 2 El índice de cavitación para cuatro unidades es; σ = (0.01∗135.82 − 0.54) + 0.035 = 0.05 45 La altura de succión será; Hs = 9.2 − 0.75 − (0.05 ∗ 85) = 4.20m σ = ( N 'S ) 50327 1 . 64 USBR 5.6 DIMENSIONES PRINCIPALES DE LAS TURBINAS El diámetro del rodete de la turbina, se puede obtener de las formulas que se usan para la velocidad unitaria diferente para cada fabricante: D = N a H N Donde: Na = Velocidad unitaria diferente para cada fabricante. N = Velocidad de giro. H = Carga. Q´ = Caudal de la tubería que va salir por la obra de toma. El diámetro del Chiflón do se relaciona con el Rodete y debe encontrarse entre los límites D ≤ 25 ; Donde el valor máximo para do = 22.8cm y de D = 5.20m y el do Menor para do = 5.5cm. siguientes; 6 ≤ Página 229 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Hay una relación lógica entre d o , H y el gasto Q' figura (5.6.b.). el gasto es: Π 2 do 2 gH ; El coeficiente de contracción CC tiene un valor muy cercano a la 4 unidad, debido a que el diseño del Chiflón es hidrodinámico con el fin de minimizar la pérdida, y esto es lo que permite incluir la eficiencia del Chiflón en la de la turbina. Puede así tomarse un valor medio de CC =0.95. Por lo que el diámetro del Chiflón se encontrara con: Q´ do = 0.55 -----( m ). (5.6.c.) H Q´= CC Fig 5.15 Chiflón.232 El número de palas o cangilones (NP), puede obtenerse de la relación D/do, deacuerdo con la tabla de Nechleba (tabla 5.7). Tabla 5.7 Relación de Nechleba.233 do/D NP 1 6 17 a 21 1 8 18 a 22 1 10 19 a 24 1 15 22 a 27 Por su parte, Kratochvill propone utilizar la formula: Np = 6 1 20 24 a 30 1 25 26 a 33 D ------- (5.6.e.) do La relación D/do aumenta al aumentar la carga. 232 233 Giles Ronald V, 1962, Mécánica de los Fluidos e Hidráulica, Ed. Serie Schaum, Colombia, P. 248 Giles Ronald V, 1962, Mécánica de los Fluidos e Hidráulica, Ed. Serie Schaum, Colombia, P. 281 Página 230 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Diámetro de la tubería inmediata antes del Chiflón. Los fabricantes recomiendan que la velocidad V d sea el orden de: Vd = (0.075a 0.10) 2 gH --------- (5.6.f.) Donde Vd ≤ 12 m . s 5.6.1 TURBINAS PELTÓN.234 Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbo máquina motora, de flujo trasversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de docientos metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%. 234 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, Página 231 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig 5.16 Turbina Pelton.235 Cazoletas.- 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, Fig 5.17, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, 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. El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce inferior. Figura 5.17 Cazoletas236 Inyector.- El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica. 235 236 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, Página 232 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig.5.18 Inyector Regulador237 El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo. La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor. Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta forma se evitan sobre presiones en la tubería, por cuanto el caudal que circula por ésta continúa siendo el mismo. Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro del rodete. 237 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, Página 233 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig 5.19 Funcionamiento de una turbina. 238 El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, así como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el número de chorros. Fig 5.20 Funcionamiento de una turbina.239 238 239 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, Página 234 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Ejemplo Problema En un proyecto hidroeléctrico se tienen los siguientes datos: H = 790m N = 450r.p.m. P = 45000 C.V. η= 0.87 Determina el número y tipo de unidades para un solo rodete y los diámetros de: D,do,d. 450001 / 2 Se determina la velocidad específica; Ns = 450 = 22.79r. p.m. 7905 / 4 De acuerdo a la Tabla 5.3.1., en función de NS = corresponde una turbina pelton de 1,2 o tres chiflones. Calculo del gasto; Q = P 45000 por lo tanto: Q = = 4.91m 3 / s 13.33 ∗η ∗ H 13.33 ∗ 0.87 ∗ 790 Para determinar el diámetro de rodetes de una turbina tipo Pelton, se considera la siguiente H formula: D = 38 ; Donde el valor de Na = 38 es el que se observa para eficiencia N 790 máxima correspondiente a turbinas Pelton; D = 38 = 2.37m 450 Calculo del diámetro del chiflón; do = 0.55 Q´ por lo tanto: do = 0.55 H 4.91 = 0.23m 790 Para determinar el diámetro de la tubería de distribución anterior al chiflón se obtendrá primero su velocidad Vd, usando el menor coeficiente, que es de 0.075. Vd = 0.075 19.62 ∗ 790 = 9.34 m s Vd ≤ 12m / s De la formula de continuidad Q = A • V ; Se despeja el área; A = A= Q sustituyendo se obtiene; Vd 4.91 = 0.53m . 9.34 Página 235 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Π ⋅ D2 4 4⋅ A Sustituyendo se obtiene; Se despeja el diámetro; d = Π 4 ∗ 0.53 d= = 0.82m Π De la formula del área, A = Tabla 5.8 selección del diámetro de la tubería con respecto al número de chiflones.240 Turbina Q (gasto) 1 chiflón 2 chiflones 3 chiflones 4.91 2.46 1.64 D (m) (diámetro rodete) 2.37 2.37 2.37 . do ( m ) ( diámetro chiflón) 0.23 0.16 0.13 d (m) 0.82 0.58 0.47 Número de Palas o Cangilones Según Nechleba, el número de Palas N p puede obtenerse en función de la relación D/ d o de acuerdo con la tabla: Tabla 5.9 selección de el numero de Palas.241 d0 D Np 1 6 1 8 1 10 1 15 1 20 1 25 17 a 21 18 a 22 19 a 24 22 a 27 24 a 30 26 a 33 Por su parte Kratochvill propone utilizar la formula: N p = 6 D d NP = 6 0 La relación D/ d 240 241 o 2.37 = 19 0.23 aumenta al aumentar la carga. http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, Página 236 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 5.6.2 TURBINAS FRANCIS Y KAPLAN.242 Turbinas Francis La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial. Las turbinas Francis, son de tipo radial, admisión centrípeta y tubo de aspiración; Siempre se construyen en condiciones de rendimiento máximo, dando lugar a tres tipos fundamentales, lentas, normales y rápidas, diferenciándose unas de otras en la forma del rodete. La turbina Francis es una turbina de reacción, lo cual significa que el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la turbina, perdiendo su energía. Se necesita una carcasa para contener el caudal de agua. La admisión tiene forma de espiral. Los álabes directores dirigen el agua tangencialmente hacia el rodete. Este flujo radial actúa sobre los álabes del rodete, causando que este gire. Los álabes directores, también conocidos como álabes giratorios, distribuidores o wicket gate (en inglés) pueden ser ajustables para permitir un funcionamiento eficiente en un rango amplio de condiciones del caudal de agua. A medida que el agua se mueve a través del rodete su radio de giro disminuye, actuando sobre él. En la salida, el agua actúa sobre unas características tazas situadas en el rodete, dejándola sin remolinos y con muy poca energía cinética o potencial. El tubo de salida tiene una forma especialmente diseñada para ayudar a decelerar el flujo de agua y recuperar energía cinética. El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). Consideraremos la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las características del salto. - Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más). - Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) - Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m). 242 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis, Página 237 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes (para 60 % y 100 % del caudal máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total. Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o vertical , siendo esta última disposición la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia. Figura 5.21 Esquema de una turbina Francis.243 Las turbinas Francis pueden ser de cámara abierta - generalmente para saltos de poca altura - o de cámara en espiral. En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara de descarga abierta. En las figuras (5.22) se representan esquemáticamente dos turbinas Francis, de eje vertical y de eje horizontal, respectivamente, 243 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis Página 238 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS montadas en cámara abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida en el agua, tal como puede apreciarse con ambas figuras. Fig. 5.22 Turbina Francis de cámara de descarga abierta. 244 En las turbinas con cámara en espiral, la carcasa, dependiendo del tamaño, se construye en hormigón armado, en acero soldado o en hierro fundido. Al ser uniforme el volumen de agua que llega a cada alabe del distribuidor, el caudal que pasa por cada sección del caracol es proporcional al arco que le queda por abastecer. Los alabes del rodete, cuando son pequeños suelen fabricarse en fundición de bronce al aluminio formando un solo cuerpo con el cubo. Cuando los rodetes son grandes los alabes, generalmente en chapa de acero inoxidable, se sueldan al cubo y a la llanta, generalmente en acero fundido. En las turbinas de reacción, el agua a la salida del rodete, pasa antes de llegar al canal de descarga, por un tubo de aspiración o difusor, cuya misión es recuperar parte de la energía cinética contenida en el agua que abandona el rodete a una velocidad elevada. Para disminuir la velocidad con que el agua llega al canal de descarga - la pérdida cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad - se aumentar la sección de salida del difusor adoptando un perfil cónico. Su función es especialmente crítica en los rodetes de alta velocidad específica porque el agua sale de estos rodetes a una velocidad especialmente elevada. 244 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis Página 239 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 5.23 Rodete de una Turbina Francis. 245 Fig. 5.24 Alabes de una Turbina Francis. 246 245 246 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis Página 240 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Ejercicio (Turbina Francis) Calcular las cotas A y B y la presión en el punto 1 con base en los siguientes datos: HfA-B = 8m HfB-1 = 5m Vt = 4m/s Vp = 6.5m/s Dp = 2.6m Z = 4m P = 50,000Kw η = 0.92 Zdesfogue =1000m PA = 1173.81 m PB = 1164.99m Pozo de Oscilación Casa de Maquinas Vt Hn= 160.81m Vp Z 1000m Donde: HfA-B = HfB-1 = Carga neta Vt = Velocidad total Vp = Velocidad del agua pasando después de pasar por el pozo Dp = Diámetro de la tubería P = Potencia en Kw. η = Eficiencia Desfogué = Cota del desfogue Solución: Utilizando la formula de Bernoulli para la cota entre A y B se tiene; AZ + VA PA2 P V2 + = BZ + B + B + hf A− B 2g γ γ 2g AZ = BZ = Cotas del terreno PA PB = Carga de presión = γ γ V A2 VB2 = = Velocidad del agua al llegar a la turbina 2g 2g En donde: Página 241 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS AZ = BZ + Vt 2 + hf A−B 2g Sustituyendo valores1: 42 AZ = BZ + +8 19.62 Queda la ecuación: AZ = BZ + 8.82 Ecuación 1 Para la cota B y el desfogue: BZ + BZ + Vt 2 P V2 = Zdesfogue + + t + hf B−1 2g γ 2g 42 19.6 = 1000 + H + hf B−1 Ecuación 2 Ecuación 2 Obtener la carga neta: P = 9.81ηQHn P = 50000 kN η = 0.92 Q = Gasto en m3/s Hn = Carga neta Se obtiene el gasto de la formula de Q= V*A se tiene: Π (Dp )2 Q = V 4 Π (2.6 )2 Q = 6.5 4 =34.51m3/s Página 242 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Se despeja de P = 9.81ηQHn la carga y se obtiene, H= 50000 = 160.81m 9.81 ∗ 0.92 ∗ 34.51 Se utiliza la ecuación 2 y se sustituyen valores para obtener la cota en B; BZ + 42 19.6 = 1000 + 160.81 + 5 ; BZ = 1000 + 160.81 + 5 − 42 19.6 = 1164.99m Se sustituyen valores en la ecuación 1, AZ = 1164.99 + 8.82 = 1173.81m . Para la presión en la entrada de la turbina se utiliza, 2 Z+ 4+ P1 γ P1 γ P1 γ VP P + 1 = H por lo tanto, se sustituyen valores: 2g γ 6.52 P1 + = 160.58m se despeja la presión y queda; 19.6 γ = 160.58 − 4 − 2.15 ; = 154.43m.c.a ; = 15.443kg / cm 2 . Página 243 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Turbina Kaplan.247 Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan, son turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial por los elementos del rodete, tendremos las turbinas de hélice o Kaplan. Las turbinas Kaplan tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la carga. Estas turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas velocidades de rotación. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal. Fig. 5.25 Turbina Kaplan de eje vertical.248 247 248 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan Página 244 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Turbina Kaplan de eje horizontal Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye los llamados grupos-bulbo, propios de las centrales mareomotrices; o los grupos-pozo, utilizados para el máximo aprovechamiento de las corrientes de agua con muy poco salto. En ambas disposiciones, la cámara y el tubo de aspiración constituyen un solo conducto, pudiendo estar situado el eje del grupo en posición horizontal o inclinada. Fig. 5.26 Turbina Kaplan de eje horizontal. 249 Los componentes de una turbina Kaplan son: Las palas directrices del distribuidor, se gobiernan de forma análoga ha como se realiza en las turbinas Francis. En algunos tipos muy avanzados de turbinas Kaplan, se ha llegado a prescindir del distribuidor, actuando la regulación solamente sobre las palas del rodete. Para lograr el control adecuado de las palas del rodete, tanto el núcleo de éste, como el eje de turbina, permiten alojar y pasar respectivamente por su interior los distintos dispositivos mecánicos, tales como servomotores, palancas, bielas, etc., destinados a dicho fin. Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rodete, dependiendo de la situación del servomotor de accionamiento de las mismas sobre distintas zonas del eje del grupo. 249 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan Página 245 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 5.27 Palas de una Turbina Kaplan. 250 El rodete de una turbina Kaplan, se asemeja a la hélice de un barco, al estar formado por un numero determinado de palas, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan. Hemos de hacer constar que si las palas mencionadas mantienen una inclinación fija, por estar rígidamente unidas al núcleo del rodete, formando pieza única en un mismo bloque, por fundición, soldadura o acoplamiento mecánico, la turbina recibe el nombre de turbina de hélice, cuya instalación es recomendable en centrales que funcionan con salto y caudal casi constante y las cargas no sufren grandes variaciones. Se recurre al procedimiento de acoplamiento mecánico, cuando las palas han de colocarse con la inclinación correcta en función de tas pruebas hidráulicas que se realicen durante el montaje, o por preverse su posible adaptación a nuevas condiciones de salto, caudales, etc. Fig. 5.28 Rodete de una Turbina Kaplan 251 250 251 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan Página 246 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tanto los rodetes de hélice como las Kaplan, se construyen a base de aleaciones especiales, tendiéndose, en la actualidad, al empleo del acero inoxidable, pues si bien su precio inicial puede ocasionado por los efectos nocivos ya menciona dos de cavitación. Por tales consideraciones, para la mayoría de los rodetes de cualquier tipo, hoy día se usa el acero inoxidable, aleación formada por hierro, cromo, níquel y carbono como principales componentes y, en menor porcentaje, silicio molibdeno, cobre, tungsteno (volframio). Servomotor en cabeza, el servomotor está instalado en el extremo superior del eje, en la zona del alternador, modernamente se tiende al empleo de este sistema, con el cual se reducen las dimensiones y el número de determinados elementos mecánicos que, en otros sistemas, realizan la interconexión entre el servomotor y los ejes de las palas del rodete. Servomotor intermedio, en este caso está situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y del alternador Servomotor en núcleo, está alojado en el propio núcleo del rodete. En el segundo y tercer sistema, los enlaces de aceite, entre regulador y servomotor, se realizan mediante conductos concéntricos dispuestos en el interior del eje del grupo. Fig. 5.29 Mecanismo de regulación de las palas de una turbina Kaplan 252 252 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan Página 247 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Ejercicio (Turbina Kaplan) En relación a la siguiente figura calcule: A) La presión P, a la entrada de la turbina B) Cotas B y C C) La eficiencia de la conducción B A=1000m, DESFOGUE C D1 D2 C.M. L1 L2 Z=3m Datos: P = 150,000 Kw. Q = 180m3/s L1 = 100m D1 = 6m L2 = 450m η = 0.85 D2 = 4m F = 0.016 A = 1000m Donde: P = Potencia en Kw. Q = Gasto en m3/S L1 = Longitud 1 D1 = Diámetro 1 L2 = Longitud 2 D2 = Diámetro 2 η = Eficiencia F = Rugosidad del material A = Cota del terreno Página 248 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Solución Primer paso (Calcular la carga neta obteniéndola con la siguiente formula). P = 9.81ηQHn P = Potencia η = Eficiencia Q = Gasto en m3/s Hn = Carga neta Y se realiza el siguiente despeje: Hn = Hn = P (9.81)(η )(Q ) 150,000 (9.81)(0.85)(180) Hn = 99 . 93 Segundo paso Calcular con la ecuación 1 la presión V 2 P Hn = Z + Ecuación 1 γ 2g Z1= Cota del eje del terreno al eje de la turbina P1 = Carga de presión γ V12 V22 = = Velocidad del agua 2g 2g Hf1-2 = Carga neta Primero se calcula la velocidad Q =V * A Q = Gasto en m3/s V = Velocidad A = Área Página 249 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS V2 = Q Π ( D 2 )2 4 180 V2 = Π (4 )2 4 V2 = 14.32m / s Luego se sustituye en la ecuación 1, para calcular la presión 99.93 = 3 + P γ + 99.93 = 13.46 + P γ 14.32 2 2g P γ = 86.50m.c.a Tercer paso Con la ecuación de perdidas por fricción se calcula la carga bruta L V 2 hf = f 2 2 D2 2 g Hf= Carga neta F = coeficiente de fricción L2 = Longitud2 D2 = diámetro 2 V2/2g = Velocidad del agua 2 450 14.32 hf = 0.016 4 2 g hf = 18.81 Página 250 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Con la siguiente formula se calcula la Cota C P V2 CotaC = Zc + + 2 + Hf + A γ 2g 14.32 2 CotaC = 3 + 86.50 + + 18.81 + 1200 2g CotaC = 1318..76m Cuarto paso Se calcula primero la V1 Q V1 = Π (D1 )2 4 180 V1 = Π (6 )2 4 V1 = 6.37m / s Por ultimo se repite el tercer paso para obtener la cota B L V 2 hf = f 1 1 D1 2 g Hf= Carga neta F = coeficiente de fricción L1 = Longitud1 D1 = diámetro 1 V1/2g = Velocidad del agua 2 1000 6.37 hf = 0.016 6 2 g hf = 5.52m Página 251 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Con la siguiente formula se calcula la Cota B V12 + Hf 2g 6.37 2 CotaC = 1318.76 + + 5.52 2(9.81) CotaC = 1326.29m CotaB = CotaC + Ecuación de bernoulli aplicado a turbinas de reacción (Francis o Kaplan) ∑hf2 = Perdidas de fricción P1/Υ+ V1/2g Vp Hf1-2= Hneta Hb = Carga Bruta v 22 / 2g z V2 Aplicando Bernoulli la ecuación queda así Z1 + P1 γ + V12 V22 = + Hf1-2 2g 2g Donde: Z1= Cota del eje del terreno al eje de la turbina P1 = Carga de presión γ V12 V22 = = Velocidad del agua 2g 2g Hf1-2 = Carga neta Y la ecuación final se obtiene de esta manera: P V2 Hf1− 2 = Hneta = z1 + 1 + 1 γ 2g Página 252 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 5.6.3 DIMENSIONES DE LA CASA DE MAQUINAS Y POZO DE OSCILACION.253 Una planta hidroeléctrica consta de 2 elementos principales la casa de maquinas y la subestación elevadora, la casa de maquinas puede ser exterior o subterránea. Cuando se trata de una instalación vertical que es mas común, la casa de maquinas tiene en general dos niveles; planta alta o piso de generadores y planta baja o piso de turbinas. En el piso de generadores se encuentran estos aparatos con sus reguladores de velocidad, y en parte superior de este nivel se instala una grúa viajera que se utiliza durante el montaje y también para hacer reparaciones tanto de los generadores como de los rodetes de las turbinas. En la casa de maquinas de una central hidroeléctrica, se montan los grupos eléctricos para la producción de la energía eléctrica, así como la maquinaria auxiliar necesaria para su funcionamiento. Sin embargo, podemos intentar una primera clasificación de las centrales según la disposición general de la casa de máquinas en: • • Centrales al exterior. Centrales subterráneas. Fig. 5.30 Motor de corriente continúa. 253 Juárez Dolores, 2001, Centrales Hidroeléctricas, Ed. UAM, México, P. 197 Página 253 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando. Fig 5.31 Dimensiones de la Casa de Máquinas Utilizando las formulas Pavlov.254 empíricas de T = 2.33D (Para turbina Francis). T = 1.92D (Para turbina Kaplan). H = 0.16 D 2 + 2.8 D + 4 S = αD − − − − − −1.8 ≤ α ≤ 6 B = 5 + 4.5D L1 = 0.1D 2 + 2.9 D + 1.6 L = ( Z + 1) L1 Z= numero de turbinas D= diámetro del rodete 254 Juárez Dolores, 2001, Centrales Hidroeléctricas, Ed. UAM, México, P. 214 Página 254 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD VI ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA Página 255 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD VI ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA 6.1 INTRODUCCIÓN El problema de impacto ambiental que más preocupa actualmente es el del calentamiento global de nuestro planeta y su efecto sobre el clima mundial, debido al aumento del contenido de gases de la atmósfera que contribuyen a intensificar el efecto invernadero, y especialmente el incremento de la cantidad de dióxido de carbono (CO2) producido por actividades humanas, ente ellas de forma importante la generación de electricidad en plantas termoeléctricas mediante la combustión de derivados del petróleo, de gas natural y de carbón. En este trabajo se mencionan las tecnologías alternativas para la producción de electricidad sin emisiones de CO2 incluyendo el aprovechamiento directo e indirecto de la radiación solar. 6.2 ENERGÍA SOLAR La radiación solar que llega a nuestro planeta cada 30 minutos de insolación es igual a la demanda anual mundial de energía primaria; el problema es cómo aprovechar esa energía difusa e intermitente. El tiempo de insolación utilizable a plena carga es en promedio de mil horas al año en las zonas templadas de la tierra y de unas 2 mil horas en las zonas más soleadas, como la correspondiente a México. La potencia solar con la Máxima insolación es del orden de 1 kW/m2. El aprovechamiento directo de la radiación solar para producir electricidad abarca dos tipos de tecnologías: la basada en la conversión fototérmica para obtener calor y la basada en la conversión fotovoltaica para obtener directamente electricidad. Fig.6.1Colectoressolares parabólicos256 256 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 256 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS En el caso de la conversión fototérmica, para obtener temperaturas suficientemente altas del fluido que se utiliza en una planta termoeléctrica se utilizan Colectores solares de concentración, de los cuales existen tres tipos: a. De cilindro parabólico. Consiste en una superficie reflejante semicilíndrica de sección parabólica, que concentra la radiación solar en un tubo colocado a lo largo de la línea focal, por el que circula un fluido que extrae el calor producido por la radiación solar concentrada. El semicilindro gira sobre un eje orientado en dirección Norte- Sur para seguir el movimiento del Sol. Con este sistema pueden obtenerse temperaturas de hasta 4000 C. b. De paraboloide. Consiste en un espejo cuya superficie es un paraboloide de revolución que concentra los rayos solares en un receptor colocado en el foco del paraboloide, el cual absorbe la radiación solar concentrada convirtiéndola en calor que es extraído por un fluido. El paraboloide sigue la posición del Sol y pueden alcanzar con este sistema temperaturas hasta de 1,5000 C. c. De torre central. Consiste en un conjunto de espejos, los cuales se orientan siguiendo la posición del Sol y reflejan la radiación solar para concentrarla en un receptor montado en una torre central; la energía térmica producida en el receptor se transfiere a un fluido. Estos Sistemas pueden alcanzar temperaturas de más de 5000 C. En varios países se han realizado instalaciones de demostración con estas tecnologías para producir electricidad, que se suministra a un sistema eléctrico que tiene capacidad, con otros tipos de plantas generadoras, para regular el suministro de energía eléctrica de acuerdo con la demanda de los consumidores. En la conversión fotovoltaica se utilizan celdas constituidas por la combinación de semiconductores en las que la incidencia de la luz produce la emisión de electrones que causan una diferencia de potencial del orden de 0.5 volts; si los dos lados de la celda fotovoltaica se conectan a través de un circuito externo, circulara por éste una corriente continua, directamente proporcional a la cantidad de luz incidente y al área de la celda. Con una radiación solar de 1,000 W/m2 se produce una corriente de alrededor de 100 miliamperes por centímetro cuadrado de superficie de una celda solar típica. La eficiencia de la conversión de energía solar en energía eléctrica es del orden de 10 a 15%, aunque con celdas y disposiciones especiales se han alcanzado eficiencias de hasta 30%. Aunque la mayoría de las celdas fotovoltaicas están hechas de silicio monocristalino, se fabrican también de silicio policristalino, de silicio amorfo y de otros materiales con base en compuestos de cobre, cadmio y galio. Las celdas fotovoltaicas individuales se interconectan formando tableros que se orientan adecuadamente hacia el Sol. Un tablero típico produce 40 Watts con un voltaje de 12 volts, con una insolación de 1,000 W/m2. Para aumentar la insolación pueden usarse concentradores de la radiación solar, empleando lentes y espejos. Las celdas fotovoltaicas se han utilizado para producir electricidad en localidades remotas, adonde no llegan los sistemas de distribución eléctrica, pero actualmente se promueve en varios países la conexión a la red Página 261 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS eléctrica de grandes paneles de celdas, colocadas en los techos de los edificios, para lo cual es necesario convertir la corriente continua producida por las celdas en corriente alterna. Fig. 6.2. Paneles de radiación solar257 Por lo que hace el aprovechamiento indirecto de la energía solar para producir electricidad, las dos principales tecnologías utilizadas son las planta generadoras hidroeléctricas y, más recientemente, los generadores eoloeléctricos.116 6.2.1 ESTADO ACTUAL DE LA ENERGÍA SOLAR EN MÉXICO. La principal energía renovable del mundo es la solar (radiación infrarroja y ultravioleta). El potencial de energía solar en México es uno de los más altos: aproximadamente tres cuartas partes del territorio nacional son zonas con alto índice de insolación (5 KWh/m2/día, en promedio). En relación con la generación termoeléctrica, CFE contempla la utilización de energía termosolar, partir de bancos de captadores solares tipo cilíndricos parabólicos, con un sistema de circulación de fluido térmico como transmisor de calor. Con este calor, se genera vapor para ser aprovechado en centrales convencionales o ciclos combinados. PROYECTO CC AGUA PRIETA II Está central tendrá una capacidad neta garantizada de 535.64 MW +- 15%, en sitio a condiciones de diseño de verano y un campo solar de 25 a 30 MW integrado al ciclo combinado. El enfriamiento principal se hará con aerocondensador. 257 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 262 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Utilizará gas natural como combustible principal y aguas negras tratadas para repuesto al ciclo y servicios. El campo solar aportará energía térmica al ciclo termodinámico a través de un sistema de captadores solares, tipo canal parabólico y fluido térmico como transmisor de calor. Figura 6.3 Proceso de Conversión de Radiación Solar a Energía 258 En Baja California, la Secretaría de Desarrollo Económico del gobierno del estado ha emprendido un proyecto helioeléctrico piloto en Mexicali cuyo Objetivo primordial es llevar energía eléctrica más barata a los hogares de los más necesitados, habida Cuenta de que en la región se alcanzan temperaturas de hasta 50 grados centígrados en el verano. Las tarifas por consumo de energía eléctrica, ya de por sí altas (más altas que en Estados Unidos), Se vuelven impagables en esa temporada del año, ya que resulta imposible habitar una casa que no este equipada con un acondicionador de aire. La implementación del sistema se hizo con la participación de la Comisión Federal de Electricidad, que permitió se instalaran medidores reversibles y aceptó bancar en sus propios sistemas toda la energía eléctrica residual que el generador solar enviara a su red, dando ` opción al usuario de usar esa energía cuando la celda fotovoltaica no estuviera capturando energía o durante las horas pico de verano, que es cuando es aun más cara la luz. 258 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 263 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Hasta ahora todavía resulta más costoso de lo deseable el equipo requerido para esta operación; Sin embargo, tanto la CFE como el gobierno del estado lo están haciendo factible con financiamiento para las primeras 250 casas, las más económicas dentro del esquema del Infonavit, Io cual permite evaluar durante todo un ciclo de estaciones del año los ahorros efectivos que se pueden lograr con este sistema. El mecanismo Sería la solución para millones de viviendas de este tipo en el país donde existan niveles de insolación y temperaturas tan elevadas; permitiría grandes ahorros en las cuentas de energía eléctrica y reducir la necesidad de construir más plantas generadoras de Ciclo combinado operadas con combustibles fósiles, lo cual preservaría y protegería nuestro medio ambiente. La ubicación geográfica de Mexicali, Baja California, tiene una gran influencia en el comportamiento climático de la región; registra temperaturas ambientales que oscilan entre 420 y 48° C en verano, lo que genera una ganancia de temperatura en las viviendas por un tiempo más prolongado que en otras regiones del país, por encima del 80 por ciento. Estas condiciones climáticas tan adversas para la vida humana hacen necesario el uso de equipos de acondicionamiento ambiental, lo cual origina altos consumos de energía eléctrica y por tanto un gran impacto en la economía familiar. El gobierno del estado firmó un convenio de colaboración con el Instituto de Investigaciones Eléctricas, con el fin de llevar a Cabo un estudio de factibilidad técnica para la instalación de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica, que pueden generar energía eléctrica considerada como una energía limpia. 6.2.2 COMPONENTES BÁSICOS DE UNA PLANTA DE ENERGÍA SOLAR Descripción del sistema EI Sistema Consiste en celdas solares de 1000 Watts y un inversor; la Celda solar toma del SOI la energía y la transforma en energía eléctrica de Corriente directa. EI inversor transforma la energía de Corriente directa generada por las Celdas solares en energía de Corriente alterna similar a la usada en las viviendas. Cuando la energía generada es mayor que la requerida por la vivienda, el excedente pasará al sistema de la CFE y Será registrada (descontada) por el medidor bidireccional de energía. Efectos de la energía Solar fotovoltaica sobre los principales factores ambientales Geología: Las Células fotovoltaicas Se fabrican Con silicio, elemento que es Obtenido de la arena, muy abundante en la naturaleza y del que no Se requieren Cantidades significativas. Suelo: AI no producirse Contaminantes, vertidos, ni movimientos de tierra, la incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o su erosionabilidad es nula. Aguas superficiales y subterráneas: NO se produce alteración de los acuíferos O de las aguas superficiales ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos. Flora y fauna: La repercusión sobre la vegetación es nula, y al eliminarse los tendidos eléctricos se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves. Paisaje: Los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo que hace que sea un elemento fácil de armonizar en diferentes tipos de estructuras. Además no se altera el paisaje Con postes y líneas eléctricas. Página 264 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 6.2.3 DESCRIPCIÓN DE CADA UNO DE LOS COMPONENTES DE UNA PLANTA ELÉCTRICA SOLAR. Se denomina Planta Eléctrica Solar, a la interconexión de diversos dispositivos que transforman la energía en electricidad, también llamados sistemas fotovoltaicos, generalmente están puestas por los siguientes dispositivos: Modulo Solar o Fotovoltaico, Panel Solar. Controlador de Carga. Inversor de Corriente. Batería. Adaptador. La función de los módulos fotovoltaicos es convertir la energía solar en electricidad. Los cables conducen la electricidad a las baterías, donde es almacenada hasta que se requiera. En el recorrido a la batería, la electricidad pasa a través de un controlador (regulador), el cual interrumpe el flujo cuando la batería se encuentra cargada. Las baterías proporcionan corriente continua o directa y podrán energizar a los aparatos que se alimenten con este tipo de corriente; actualmente en el mercado existe una gama importante de aparatos eléctricos y electrónicos en 12 VCD, incluyendo focos ahorradores fluorescentes que ofrecen la misma potencia e intensidad luminosa que los convencionales. Los sistemas fotovoltaicos, pueden incluir un Inversor capaz de proporcionar salida de corriente alterna, para energizar prácticamente cualquier aparato eléctrico y/o electrónico convencional. A continuación presentamos un ejemplo de diseño de planta eléctrica solar, la cual incluye sistema tanto para corriente alterna (con inversor) como para corriente directa (con adaptador DC/DC). MODULOS FOTOVOLTAICOS Es lo que se denomina como la interconexión de varias fotocélulas, siendo diseñado para proporcionar una potencia máxima a un voltaje determinado. Estos módulos se presentan en el mercado para las más variadas necesidades existiendo presentaciones de módulos desde 10 W a 120 W. PANELES FOTOVOLTAICOS. Es lo que se denomina como la interconexión de varios módulos, siendo diseñado para proporcionar una potencia máxima o adecuada para el consumo exigido. La eficiencia de estos equipos varía de acuerdo a la calidad de las fotocélulas, el diseño del equipo y a la insolación existente y su mantenimiento es nulo. Página 265 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CONTROLADOR DE CARGA. Es un dispositivo electrónico que protege a la batería contra cargas excesivas o descargas profundas. Cuando la batería está totalmente cargada (~ 90%), el controlador desconecta la batería para evitar que la batería siga recibiendo energía del panel fotovoltaico y se siga cargando; en caso contrario, si la batería se está descargando aproximadamente cercana al 60% de la carga nominal, el controlador desconectara las cargas y evitara que la batería se descargue a nivel inferior a este. Por lo tanto el controlador de carga administra la energía tanto la que proviene de la generación como la que requieren las cargas y su función primordial es proteger las baterías contra sobre cargas o sobre descargas. Se especifican por su voltaje de operación y la corriente máxima de operación. BATERIA. Una batería es un conjunto de celdas electroquímicas conectadas en serie, cuya función es la de almacenar energía eléctrica en forma química (carga), cederla a un punto en forma de electricidad (descarga) y volverla a recuperar (carga). Al proceso de carga y descarga se le llama ciclo. Las baterías para uso en aplicaciones fotovoltaicas son las de gel, ya que no producen emanaciones de gases tóxicos, son relativamente económicas existen en el mercado en una gran variedad de tamaño y posiciones y pueden ser sometidas a procesos de descarga (pequeña razón) por tiempos prolongados. Banco de baterías.- Son las encargadas de almacenar la energía que se produce en el sistema FV. Se deben de diseñar para darle una autonomía a las cargas de cuando menos tres días, es decir que en caso de que hubiera tres días de intenso nublado, el sistema suministraría energía eléctrica suficiente aun sin la aportación solar. INVERSOR. La energía eléctrica es utilizada en su gran mayoría en corriente alterna ya que es más barato y más fácil distribuirla. Sin embargo su limitante principal es que no es posible almacenarla, por otra parte, la mayoría de todos los aparatos electrodomésticos operan con corriente alterna. Los sistemas de generación de energía eléctrica con Sistemas Fotovoltaicos generan energía eléctrica en corriente directa o continua, esta es posible almacenarla, pero al transmitirla se pierde energía, por o que se requiere de un cable de buen calibre. Por lo tanto, el uso de electrodomésticos de corriente alterna en los Sistemas Fotovoltaicos, requieren de un acondicionador de energía que transforme la corriente directa en corriente alterna. Este acondicionador, recibe el nombre de inversor. El inversor, es un dispositivo electrónico que convierte la corriente directa producida por los paneles fotovoltaicos a corriente alterna, demandada por las cargas. Las características que se deben especificar son principalmente: Potencia nominal, nivel de voltaje de entrada y salida, tipo de onda(cuadrada, encuadrada o sinodal) y eficiencia. Página 266 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 6.2.4 TIPOS DE ENERGÍA SOLAR 6.2.4.1 -Energía solar fotovoltaica: es la energía del futuro. En este tipo de energía, la energía solar se transforma en energía eléctrica sin partes móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones químicas. Esta generación eléctrica es de duración prácticamente ilimitada, no requiere mantenimiento, no produce contaminación y no hace ruido. 6.2.4.2-Energía solar térmica: este tipo de energía solar usa directamente la energía que recibimos del sol, que la aprovecha en forma de calor. Se puede usar directamente para producir electricidad o para recuperar directamente el calor de la radiación solar. .Aprovechamiento pasivo: consiste en captar y utilizar el calor del sol sin usar elementos mecánicos y aprovechar las características de materiales. .Aprovechamiento activo: consiste en utilizar el calor que producen los rayos solares para calentar un fluido mediante un dispositivo llamados colectores. Se clasifican en tres tipos: -Sistemas de baja temperatura: se emplean para calefacción, suministro de agua caliente sanitaria, climatización, etc. -Sistemas de media temperatura: se dedican a producir vapor para generar electricidad. -Sistemas de alta temperatura: pueden ser; .Grandes espejos parabólicos. .Centrales de torre. .Hornos solares. 6.2.5 INVESTIGACIÓN SOLAR EN MÉXICO En zonas de nuestro país donde es indispensable que las viviendas cuentes con aire acondicionado, pues las temperaturas alcanzan hasta los 500 C, los altos consumos de energía eléctrica que impactan en la economía familiar pueden verse reducidos con la implantación de sistemas de generación de energía eléctrica considerada energía limpia. La ubicación geográfica de Mexicali, Baja California, tiene una gran influencia en el comportamiento climático de la región; registra temperaturas ambientales que oscilan entre 420 y 48° C en verano, lo que genera una ganancia de temperatura en las viviendas por un tiempo más prolongado que en otras regiones del país, por encima del 80 por ciento. Estas condiciones climáticas tan adversas para la vida humana hacen necesario el uso de equipos de acondicionamiento ambiental, lo cual origina altos consumos de energía eléctrica y por tanto un gran impacto en la economía familiar. El gobierno del estado firmó un convenio Página 267 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS de colaboración con el Instituto de Investigaciones Eléctricas, con el fin de llevar a Cabo un estudio de factibilidad técnica para la instalación de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica, que pueden generar energía eléctrica considerada como una energía limpia. 6.3 ENERGÍA EÓLICA La energía eólica es la energía producida por el viento. La primera utilización de la capacidad energética del viento la constituye la navegación a vela. En ella, la fuerza del viento se utiliza para impulsar un barco. Barcos con velas aparecían ya en los grabados egipcios más antiguos (3000 a.C.). Los egipcios, los fenicios y más tarde los romanos tenían que utilizar también los remos para contrarrestar una característica esencial de la “Parque Eólico La Venta” energía eólica, su discontinuidad. Efectivamente, el viento cambia de intensidad y de dirección de manera impredecible, por lo que había que utilizar los remos en los periodos de calma o cuando no soplaba en la dirección deseada. Hoy, en los parques eólicos, se utilizan los acumuladores para producir electricidad durante un tiempo, cuando el viento no sopla. Fig. 6.4 Parque Eólico La Venta 259 Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima de 12 km/h, y que no supere los 65 km/h. 259 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 268 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. La baja densidad energética, de la energía eólica por unidad de superficie, trae como consecuencia la necesidad de proceder a la instalación de un número mayor de máquinas para el aprovechamiento de los recursos disponibles. El ejemplo más típico de una instalación eólica está representado por los "parques eólicos" (varios aerogeneradores implantados en el territorio conectados a una única línea que los conecta a la red eléctrica local o nacional). Fig. 6.5 Parque Eólico en México 260 En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. 260 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 269 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 6.3.1 ESTADO ACTUAL DE LA ENERGÍA EÓLICA EN MÉXICO México posee un amplio potencial para desarrollar la generación de energía eoloeléctrica y en la actualidad su capacidad total instalada supera los 50,000 MW. La región del Istmo de Tehuantepec en el estado de Oaxaca es un sitio excepcional, con velocidades medias del viento superiores a 6.5 m/s y un potencial estimado de más de 15,000 MW. A la planta existente de 1.5 MW se le añadirá una de 83 MW, actualmente en construcción, y se espera tener hacia 2014, una capacidad adicional de 588 MW. Fig. 6.6 Sistema de Transformación de energía eólica a energía eléctrica 261 La zona de la venta-La ventosa, Oaxaca es ampliamente conocida por su viento constante durante prácticamente los 365 días del año, razón por la que ha sido seleccionada para la instalación de centrales eólicas. El Istmo de Tehuantepec alberga los proyectos de La Venta I y La Venta II. Esta región está comprendida dentro de los estados de Veracruz, Oaxaca, Tabasco y Chiapas y es la zona continental más estrecha de la República Mexicana. Es reconocida, históricamente, como un área estratégica de la economía global dado su alto potencial para reducir los costos de transportación de materia prima como de manufactura a los mercados de Asia, Estados Unidos y Europa, así como su vasta biodiversidad. La región alberga bosques y selvas tropicales, de los más importantes de México, uno de los yacimientos de hierro más grande y la mayor disponibilidad de agua del país, en sus litorales se extrae gran cantidad de la producción de petróleo. Las centrales de los proyectos I y II de La Venta se ubican en la localidad del mismo nombre, a unos treinta kilómetros al noroeste de la ciudad de Juchitán, Oaxaca, su cabecera municipal. Esta agencia de 1,814 habitantes, se encuentra al pie de la carretera Panamericana. 261 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 270 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 6.3.2 COMPONENTES BÁSICOS DE UNA PLANTA EÓLICA Una central eólica, también llamada eoloeléctrica, se compone de un conjunto de aerogeneradores cuya distribución en un área ventosa se determina por la topografía del sitio, que influye en la distribución de las velocidades del viento sobre ella, así como por los rumbos dominantes y energéticos del viento en la misma, de tal suerte que se obtenga la colocación que maximice la energía del viento capturada. Esta colocación de aerogeneradores se llama ‛‛distribución topológica". Un área de explotación eólica puede presentar vientos energéticos con el mismo rumbo durante todo el año, O un rumbo para los vientos de primavera-verano y otro para los de otoño invierno, o también no tener un rumbo dominante para los vientos energéticos, que pueden provenir de cualquier rumbo. Fig. 6.7 Sistema Eólico 262 Esta característica eólica del sitio en Cuestión determina la forma de los arreglos de aerogeneradores. Un rumbo energético dominante anual determina apretadas filas de aerogeneradores en líneas perpendiculares al viento dominante. Donde no existe un rumbo dominante, los aerogeneradores se colocan en los vértices de triángulos equiláteros, con lados iguales a 10 o 12 diámetros, formando una “malla” en el área de explotación. Esta distribución recibe el nombre de “tresbolillo” y se denomina isótropa. Estas dos configuraciones topológicas básicas extremas determinan para un aerogenerador de referencia, dada Su potencia nominal en megawatts, un índice en megawatts por kilómetro cuadrado (MW/km); éste, multiplicado por la superficie en kilómetros cuadrados del área de explotación, nos da como resultado en la capacidad eólica instalable en megawatts en dicha área. 262 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.469 mayo 2008 “tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de electricidad”, Pág.16-19 Página 271 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Las áreas donde se pueden colocar aerogeneradores de potencia interconectados al sistema eléctrico son de tres tipos: el mar, en zonas costeras poco profundas; terrenos planos en llanuras, y terrenos complejos o accidentados. Las primeras corresponden a centrales eólicas marinas, las segundas a conjuntos de aerogeneradores que cohabitan con la agricultura, y la tercera aprovecha los efectos topográficos para concentrar y acelerar el viento permitiendo una explotación más productiva.117 6.3.3 COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR A continuación describiremos cada una de las partes de la estructura de un aerogenerador. La Torre. Es la parte que soporta la góndola y el rotor. Normalmente suelen ser de longitud elevada, ya que la velocidad del viento es mayor cuanto más lejos estamos del nivel del suelo. Pueden ser tubulares o de celosía. Las primeras son más seguras para el personal de mantenimiento, ya que disponen de una escalera interior que llega hasta la parte superior de la turbina. Las segundas, aunque son más inseguras, tienen un coste es mucho más barato. La góndola. Es un habitáculo que contiene los componentes más importantes de un aerogenerador, como el multiplicador o el generador eléctrico. Se puede acceder a ella desde la torre de la turbina. Fig. 6.8 Componentes de un aerogenerador 118263 263 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.459 Julio 2007,Págs.26-30 Página 272 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El multiplicador. Con el eje de baja velocidad a su izquierda y el de alta velocidad a su derecha, el multiplicador permite que el segundo gire 50 veces más rápido que el primero. El eje de baja velocidad. Se trata de un eje que conecta el buje del rotor al multiplicador. Por dentro del eje encontramos unos conductos del sistema hidráulico usados para los frenos aerodinámicos. Fig. 6.9 Aerogenerador de CFE 264 El buje del rotor. El buje ("hub" en inglés) es el elemento al que van unidas las palas. Situado en la parte frontal del aerogenerador, acoplado al eje de baja velocidad, es el único elemento exterior que gira. Se le suele unir los rodamientos de pala, que minimizan el rozamiento de las palas. Normalmente se fabrica con acero fundido. El eje de alta velocidad. Si gira con la velocidad adecuada, este eje es el que permite que el generador eléctrico funcione. Dicha velocidad equivale aproximadamente a 1500 revoluciones por minuto (rpm). Además, lleva acoplado, por si falla el freno aerodinámico, un freno de disco mecánico de emergencia. 264 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.459 Julio 2007,Págs.26-30 Página 273 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El generador eléctrico. Fig. 6.10 Sistema de Aerogeneradores 265 Fig. 6.11 El Anemómetro y La Veleta 266 Se considera un generador eléctrico a todo aquél dispositivo que pueda mantener una diferencia de potencial eléctrico entre sus bornes (polos o terminales). Gracias a la acción de 265 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.459 Julio 2007,Págs.26-30 266 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.459 Julio 2007,Págs.26-30 Página 274 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS un campo magnético, un generador consigue su objetivo, transformar energía mecánica en eléctrica. En los aerogeneradores, el generador suele ser asíncrono o de inducción. Las palas del rotor. Son las responsables de "capturar" el viento y transmitir su potencia al buje. Existen de muchos tamaños y diseños, dependiendo normalmente de la potencia que se quiera generar. La unidad de refrigeración. Consiste en un ventilador eléctrico que enfría el generador. Contiene también una unidad refrigerante por aceite o por agua, que se usa para enfriar el propio aceite del multiplicador. El controlador eléctrico. Se trata de un ordenador el cual monitoriza las condiciones del aerogenerador, y controla el mecanismo de orientación (que vigila la dirección del viento mediante la veleta).Si ocurre cualquier problema en el aerogenerador, como, por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador, automáticamente para el aerogenerador y "llama" al operario encargado de la turbina a través de un módem. El anemómetro y la veleta. El anemómetro es un dispositivo usado para medir la velocidad del viento. La veleta es un aparato para comprobar la dirección del viento. En un aerogenerador, las señales eléctricas del anemómetro las utiliza el controlador electrónico para conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza los 5 m/s. Asimismo, si el viento sobrepasa los 25 m/s, el ordenador parará el aerogenerador para proteger la turbina y sus alrededores. Las señales enviadas por la veleta son utilizadas por el controlador para girar el aerogenerador en contra del viento. 6.4 PROYECTOS PROBABLES DE ENERGÍA EÓLICA EN MÉXICO. Dada la orografía y topografía del país, donde predominan los terrenos complejos, por razones de logística de montaje, operación y mantenimiento son recomendables aerogeneradores de potencia no superior al megawatts. Un aerogenerador comercial de 850 Kw., para lugares con vientos no muy fuertes, tiene una torre de 44 a 71 m de altura y un rotor de 58 m y de diámetro con un área barrida de captura de energía del viento de 2,642 m2. Una separación de 10 diámetros entre ellos significa una distancia de 580 m entre 6 cada uno. En una configuración de “tresbolillo”, con la mencionada separación entre aerogeneradores (10 diámetros), el “área territorial” que Corresponde a cada uno de ellos es de 25.23 Ha; en un kilómetro cuadrado cabrían 3.96 aerogeneradores de 850 Kw, lo que Significa una densidad de potencia instalada de 3.369 MW/km2. Página 275 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 6.1 Proyectos Probables de Energía Eólica en México 267 Proyecto Contrato Capacidad por Unidad (MW) Capacidad Total (MW) Año. La Venta V PEE 0.85 – 2.5 99 2010 La Venta VI PEE 0.85 – 2.5 99 2011 La Venta VII PEE 0.85 – 2.5 99 2012 La comunidad de La Venta, Oaxaca, es una de las zonas de mayor crecimiento eólico esperado. La proyección a futuro de la región considera la operación de las plantas La Venta II (en construcción), con una capacidad nominal de 85 MW, así como La Venta III, IV, V, VI y VII (en proyección), con una capacidad cada una de 101 MW. Estas plantas suponen un gran avance en la generación, con 592 MW, que equivaldrían al 2.6% de la capacidad nacional. 6.5 PROYECTOS DE ENERGÍA EÓLICA EN FUNCIONAMIENTO EN MÉXICO. Tabla 6.2 Proyectos de Energía Eólica funcionando en México. 268 Proyecto Contrato Capacidad por Unidad (MW) Capacidad Total (MW) Año. La Venta II OPF 0.85 83.3 2006 La Venta III PEE 0.85 – 2.5 99 2008 La Venta IV PEE 0.85 – 2.5 99 2009 Utilizar la fuerza del viento, o generación eólica como se le conoce de manera técnica, es una de las vías con que se experimenta. En México, desde 1994 la Comisión Federal de Electricidad (CFE) cuenta con una planta eoloeléctrica piloto, compuesta por siete 267 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.451 noviembre 2006 “Potencial eolo eléctrico en México “ Pág. 10-14 268 Revista Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México Num.451 noviembre 2006 “Potencial eolo eléctrico en México “ Pág. 10-14 Página 276 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS aerogeneradores ubicada en La Ventosa, Oaxaca, lugar donde la velocidad del viento llega a alcanzar los 25 metros por segundo. Esta fuerza coloca a la región como una de las del mundo de mayor potencial generador en cuanto a energía eólica. Actualmente proporciona a la red de distribución nacional 6570 MWh anuales aproximadamente, de una capacidad instalada de mil 500 wats (1.5 MW) a la red de distribución nacional, y sin embargo se estima que su potencial puede llegar hasta los dos mil y 8.76 Millones de Megawatts hora (GWh) al año. Una explotación adecuada de esta zona y del recurso del viento requiere de un planeación que contemple aspectos como costo-beneficio, disponibilidad de los vientos, aumento de la demanda de energía, entre otros. 120 La energía eólica en México, inició con una serie de proyectos experimentales, de los cuales se recabó información como la constitución del mapa eólico nacional, reconociendo las zonas de la región del Istmo de Tehuantepec, Las penínsulas de Baja California y Yucatán, la región central de Zacatecas, la región del altiplano y las costas como zonas afines para su explotación. De este estudio se ha evaluado que se tiene un potencial técnico y económicamente aprovechable, según Comisión Federal de Energía, sólo para la zona de Oaxaca superior a los 5000 MW, mientras que estudios del Gobierno de Oaxaca en conjunto con el Instituto de investigaciones eléctricas y El Laboratorio de Energía Renovable Nacional (NREL) hablan de 33,000 MW. El Istmo de Tehuantepec alberga los proyectos de La Venta I y La Venta II, esta región está comprendida dentro de los estados de Veracruz, Oaxaca, Tabasco y Chiapas. Es la zona continental más estrecha de la República Mexicana. Es reconocida, históricamente, como un área estratégica de la economía global dado su alto potencial para reducir los costos de transportación de materia prima como de manufactura a los mercados de Asia, Estados Unidos y Europa, así como su vasta biodiversidad. La región alberga bosques y selvas tropicales, de los más importantes de México, uno de los yacimientos de hierro más grande y la mayor disponibilidad de agua del país, en sus litorales se extrae gran cantidad de la producción de petróleo. Se le considera una zona con alto potencial eólico en el mundo en la cual se estiman valores de las velocidades del viento en el estado de Oaxaca de 6.1 a superiores de 8.5 [m/s] en una superficie de 8800km2. La comunidad de La Venta, Oaxaca, es una de las zonas de mayor crecimiento eólico esperado. La proyección a futuro de la región considera la construcción de las plantas La Venta II (en construcción) con una capacidad nominal de 85 MW, La Venta III, IV, V, VI y VII (en proyección) con una capacidad cada una de 101 MW. Estas plantas suponen un gran avance en la generación, con 592 MW, que equivaldrían al 2.6% de la red nacional. Las centrales de los proyectos I y II de La Venta se localiza en la localidad del mismo nombre, a unos treinta kilómetros al noroeste de la ciudad de Juchitán, Oaxaca, su cabecera municipal. Esta agencia de 1,814 habitantes, se encuentra al pie de la carretera Panamericana. Su principal fuente de ingresos es la agricultura, mayoritariamente de sorgo. Esta zona se conoce por su continuo flujo de migrantes, tanto provenientes de la frontera Sur, como de emigración interna. Existen importantes poblaciones indígenas zapotecas en el lugar.121 Página 277 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 278 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS UNIDAD VII ENERGIAS ALTERNAS Página 278 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS UNIDAD VII ENERGÍAS ALTERNAS 7.1 GENERALIDADES. El siglo XX se movió con energías sucias, como el petróleo, el gas o el carbón, el XXI abre las puertas a las llamadas energías verdes. Estas que además de limpias son inagotables, se perfilan como una gran solución para un mundo que día con día requiere de más energía.269 ENERGIAS ALTERNAS RENOVABLES En la actualidad, las energías renovables son consideradas como una alternativa a las energías tradicionales, fundamentalmente, por su disponibilidad garantizada y por su menor impacto ambiental. Se llama energía renovable a toda energía obtenida de fuentes naturales, consideradas como virtualmente inagotables, debido a que algunas son capaces de regenerarse por medios naturales y otras contienen una inmensa cantidad de energía. Existen dos tipos de energías renovables: las limpias o no contaminantes y las contaminantes. Dentro de las energías renovables limpias o no contaminantes podemos mencionar: la energía solar (sol), la energía hidráulica (ríos y corrientes de agua dulce), la energía mareomotriz (mares y océanos), la energía undimotriz (olas del mar), la energía eólica (viento) y la energía geotérmica (calor de la Tierra). Las energías contaminantes son aquellas que se obtienen a partir de la biomasa o materia orgánica, y por ende, constituyen el tipo de energía verdaderamente renovable. Éstas pueden ser utilizadas directamente como combustibles (como materia vegetal o madera) o pueden ser convertidas biodiesel (a través de reacciones de residuos urbanos o de transesterificación) o en bioetanol o biogas (mediante procesos de fermentación orgánica). Las energías de fuentes renovables contaminantes en su combustión emiten dióxido de carbono, y frecuentemente, por dicho motivo llegan a ser todavía más contaminantes que los combustibles fósiles. Sin embargo, esta clase de energías se incluyen dentro de las energías renovables por cuanto el dióxido de carbono que emiten durante el proceso de combustión será re-utilizado por la siguiente generación de materia orgánica.270 269 REVISTA MENSUAL MUY INTERESANTE, año 17 numero 4, paginas de consulta 4-18, articulo. Nuevas energías para el siglo XXI. México, 2000. 270 PAGINA DE INTERNET http://www.onenergias.com/energia-online/tag/energia-natural Página 279 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN LAS QUE SE TRABAJA ACTUALMENTE SON: Energía eólica: Es la energía cinética o de movimiento que contiene el viento, y que se capta por medio de aerogeneradores o molinos de viento. Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, etc. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima de 12 km/h, y que no supere los 65 km/h. Energía hidráulica: Consiste en la captación de la energía potencial del agua, y que se realiza en centrales hidroeléctricas. Se puede transformar a muy diferentes escalas, existiendo desde hace siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Energía mareomotriz y undimotriz: Se obtiene de las mareas y también a través de la energía de las olas. La energía mareomotriz se debe a las fuerzas gravitatorias entre la Luna, la Tierra y el Sol, que originan las mareas. Mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica. Energía solar: Recolectada de forma directa a alta temperatura en centrales solares, o a baja temperatura mediante paneles térmicos domésticos. La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las demás formas de energía en la Tierra. Cada año la radiación solar aporta a la Tierra la energía equivalente a varios miles de veces la cantidad de energía que consume la humanidad. Energía geotérmica: Es producida al aprovechar el calor del subsuelo, puede ser obtenida por el hombre mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. En áreas de aguas termales muy calientes a poca profundidad, se perfora por fracturas naturales de las rocas basales o dentro de rocas sedimentarias. El agua caliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de agua y de vapor. Biomasa o biogás: Se obtiene por descomposición de residuos orgánicos o bien por su quema directa como combustible. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua de productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y a su vez sirven de alimento a otros seres vivos. Energía nuclear: Se obtiene al aprovechar las reacciones nucleares espontáneas o provocadas por el hombre. Los dos sistemas con los que puede obtenerse energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear puede ser controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, energía mecánica o energía térmica.271 271 PAGINA DE INTERNET http://tematica.mercadolibre.com.mx/energias-alternativas Página 280 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.1 Energías alternas.272 POSICION DE MEXICO ANTE LAS ENERGIAS RENOVABLES. PROGRAMA ESPECIAL PARA EL APROVECHAMIENTO DE ENERGIAS RENOVABLES. En el Diario Oficial de la Federación del 6 de agosto de 2009, se publico el decreto por el que se aprueba el Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables 2009 – 2012, el cual se deriva de un mandato de la Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética. Su misión es la incorporación de las energías renovables a la matriz energética nacional, y tiene como visión lograr una verdadera transición energética. El objetivo general del programa consiste en promover el aprovechamiento de energías renovables, estableciendo objetivos y metas, así como las acciones necesarias para alcanzarlas; los objetivos específicos buscan a) impulsar el desarrollo de la industria de energías renovables en México; b) ampliar el portafolio energético del país impulsando una mayor seguridad energética al no depender de una sola fuente de energía, y c) ampliar la cobertura del servicio eléctrico en comunidades rurales utilizando energías renovables en aquellos casos en que no sea técnica o económicamente factible la conexión a la red. 272 PAGINA DE INTERNET http://www.monografias.com/trabajos/energiasalter/energiasalter.shtml Página 281 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS El decreto establece que las dependencias y entidades de la administración pública federal elaboraran sus respectivos programas anuales, que servirán de base para la integración de sus anteproyectos de presupuestos, a efecto de que se prevean los recursos presupuestarios necesarios para el eficaz cumplimiento de los objetivos y metas del programa. A continuación, se describen los aspectos mas destacados de este decreto. En el programa se presentan indicadores y potenciales sobre distintas fuentes renovables que permitirán atender los desafíos que se enfrentan por el calentamiento global. El uso de energías renovables presentara un mecanismo para reducir la dependencia de México respecto a los combustibles fósiles y así fomentar la seguridad energética. En materia de electrificación, el aprovechamiento de las energías renovables también será un motor para el desarrollo social, al permitir el acceso al servicio eléctrico a comunidades donde la energía convencional es económicamente inviable por estar apartadas de la red eléctrica. En el rubro ambiental, la utilización de energías renovables, además de contribuir a mejorar la calidad del aire, contribuirá a la conservación de los recursos naturales. Su desarrollo representara la creación de pequeñas y medianas empresas, la generación de nuevos empleos, un mayor desarrollo científico y tecnológico, y la posibilidad de generar mayor intercambio comercial con otros países que están impulsando la utilización de energías renovables. PROGRAMAS DE APOYO. Actualmente México cuenta con el apoyo del Banco Mundial para la electrificación rural con energías renovables en los estados de Oaxaca, Veracruz, Guerrero y Chiapas (en una primer etapa), mediante el Proyecto de Servicios Integrales de Energía, con el propósito de dotar de electricidad a unas 2500 comunidades rurales que no cuentan con servicios de energía eléctrica y que por su alto grado de dispersión y el escaso numero de viviendas por comunidad, difícilmente serán integradas a la red eléctrica nacional; se pretende utilizar las tecnologías renovables que se adecuen mejor a las condiciones geográficas de la zona. El programa contempla también el apoyo concurrente con actividades productivas asociadas a la electrificación que permitan incentivar el crecimiento y el desarrollo económico. Del mismo modo, existe el Proyecto de Energías Renovables a Gran Escala del gobierno federal que entro en vigor en abril de 2007 y tiene como objetivo global ambiental reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y las barreras para la interconexión de tecnologías renovables a la red eléctrica en México. Este proyecto cuenta con un donativo del BM. Por su parte, el Instituto Nacional de la Vivienda para los Trabajadores cuenta con una “hipoteca verde“, la cual comprende un crédito que incluye un monto adicional para que el derechohabiente pueda comprar una vivienda ecológica. Página 282 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Varios estudios previos indican que México posee un gran potencial para generar energía a través de fuentes renovables, al contar con altos niveles de insolación, recursos hidráulicos para la instalación de plantas minihidraúlicas, vapor y agua para el desarrollo de campos geotérmicos, zonas con intensos y constantes vientos, grandes volúmenes de esquilmos agrícolas, e importantes cantidades de desperdicios orgánicos en las ciudades y en el campo, cuyo destino final debe manejarse de forma sustentable. Respecto a la energía minihidráulica, la cual se considera como renovable, pues no agota la fuente primaria al explotarla y no implica la emisión de contaminantes o residuos, el programa indica que esta es producida en instalaciones hidroeléctricas de capacidad limitada, utilizando la energía potencial o cinética generada por el agua que corre al salvar el desnivel natural o artificial existente entre dos puntos. Este proceso permite la transformación de la energía en electricidad, utilizando turbinas que se mueven mediante el volumen de agua que circula a través de estas. La potencia mecánica producida por la corriente de agua es transmitida de la turbina a un generador eléctrico, mediante un eje giratorio. Esta energía, por su escala limitada, reduce los impactos sobre el ambiente y permite aprovechar corrientes de agua poco caudalosas o donde no es posible la construcción de grandes instalaciones, lo que la convierte en una fuente dinámica y adaptable a las condiciones geográficas e hídricas de cada región del país. Los principales beneficios económicos y sociales de esta fuente de energía son: a) reducción de riesgo por inundaciones; b) mitigación de la erosión de las cuencas; c) mejoramiento de las labores agrícolas; d) desarrollo agroindustrial; e) derrama económica por la construcción y operación, y f) arraigo en las zonas rurales. Finalmente las acciones especificas que señala el programa para el desarrollo de fuentes minihidraúlicas son: 1) fortalecer las acciones de electrificación rural mediante fuentes minihidraúlicas; 2) evitar provocar impactos negativos al ambiente, los ecosistemas, la biodiversidad y las cuencas hidrológicas con la construcción de mini hidroeléctricas; 3) establecer la infraestructura necesaria para el aprovechamiento del potencial nacional proveniente de fuentes minihidraúlicas, así como la necesidad para su interconexión con la red nacional; 4) crear una base de información fiable que sustente las políticas, programas y acciones relativas al desarrollo de minihidraúlicas, y 5) fortalecer las capacidades nacionales de investigación y desarrollo tecnológico en la materia.273 El Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables 2009 – 2012 consta de un total de 109 páginas en formato PDF (www.energia.gob.mx). Aquí se expone un resumen con lo que se considera lo mas importante de acuerdo con ZAFRANET. Portal dedicado a la agroindustria azucarera.274 273 REVISTA LAS VERTIENTES DE CONAGUA. Núm. 161. Septiembre de 2009. Paginas de consulta 28-29, articulo. Programa especial para el aprovechamiento de las energías renovables. México, 2009. 274 PAGINA DE INTERNET http://www.zafranet.com Página 283 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS De acuerdo con el Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables 2009 – 2012. México cuenta con el potencial para aprovechar las energías renovables, abarcando cinco temas que cubren las energías: eólica, solar, micro hidráulica, geotérmica y biomasa. El Programa plantea algunas estrategias para el uso, la promoción y la consideración del costo futuro para generar energía a través de estas fuentes que podrían ayudar a reducir la dependencia de los hidrocarburos que tiene el país en la actualidad y a diversificar la matriz energética, así como ampliar el portafolio de energía para alcanzar la transición energética que necesita el país. ESQUEMA DEL PROGRAMA El programa tiene planteado incorporar las energías renovables a la matriz energética nacional, promoviendo el aprovechamiento de éstas por medio de objetivos y metas, así como también implementar las acciones necesarias para alcanzarlas por medio del desarrollo de la industria de energías renovables. Se busca brindar seguridad energética para no depender de una sola fuente de energía, así como ampliar la cobertura del servicio eléctrico, conciliando las necesidades de consumo de energía de la sociedad con el uso sustentable de los recursos naturales. OBJETIVOS DEL PROGRAMA a. Impulsar el desarrollo de la industria de energías renovables en México aumentando la capacidad instalada de las mismas. Actualmente en México esta capacidad es del 3.3%, el programa tiene planteado como meta aumentarla al 7.6% para el año 2012. Fig. 7.2 Capacidad instalada 2008 meta 2012.275 275 PAGINA DE INTERNET http://www.zafranet.com Página 284 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS La figura muestra que la aplicación de fuentes de energía renovable aun es muy baja, la capacidad de generación eléctrica por medio de energía eólica actualmente es de 0.15 %, la meta para el 2012 es del 4.34 % cifra que representa el mayor aumento de todas las fuentes renovables. La capacidad de generación por medio de energía micro hidráulica actualmente es del 0.65 %, se tiene una meta del 0.77 % para el 2012; la de la energía geotérmica y la de biomasa y biogas actualmente es del 1.66 % y 0.86 %, se tiene proyectada una disminución para el 2012 a 1.65 % y 0.85 % respectivamente. b. Ampliar el portafolio energético del país aumentando la generación de energía eléctrica por medio de fuentes renovables. Para este año, la generación por medio de estas fuentes en México es del 3.9%; el programa plantea aumentar este porcentaje para el año 2012 entre el 4.5 y el 6.6%. Fig. 7.3 Generación eléctrica 2008 meta 2012.276 La figura muestra la generación de energía por fuentes renovables para el año 2008, así como dos escenarios con distintas metas a alcanzar para el 2012. La meta A para el año 2012 a través de: la energía eólica presenta un aumento de para pasar del 0.09 % al 1.74 %, para la energía micro hidráulica del 0.64 % al 0.36 %, de la energía geotérmica del 2.86 % bajar al 2.19 % y para la energía por medio del biogas y biomasa pasar del 0.33 al 0.19 %. Para el escenario con la meta B tenemos que: para la energía eólica se presenta el mayor aumento para el año 2012 para alcanzar el 2.91 %, para la energía micro hidráulica el 0.61 %, de la energía geotérmica del 2.74 % y para la energía por medio del biogas y biomasa bajar al 0.32 %. Como se puede observar la única energía que se tiene planeado aumentar es la generada por medio de la energía eólica. 276 PAGINA DE INTERNET http://www.zafranet.com Página 285 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS c. Ampliar la cobertura del servicio eléctrico en comunidades rurales haciendo uso de las energías renovables. Actualmente en el país no hay comunidades rurales electrificadas con estas fuentes, pero se tiene planteada alcanzar una meta de 2500 comunidades para el año 2012, esto con base al proyecto de Servicios Integrales de Energía que durará 5 años a partir de su inicio. ESTRATEGIAS Y LÍNEAS DE ACCIÓN Las estrategias y líneas de acción que se establecen dentro de este Programa son para cumplir con los objetivos señalados en el apartado anterior y consisten en: Estrategia 1. Fomento a la información. Por medio de la difusión sobre las ventajas económicas y ambientales, así como de los mecanismos financieros disponibles y la organización de conferencias y foros en materia sobre el empleo de energías renovables. Estrategia 2. Elaboración de mecanismos para el aprovechamiento de fuentes de energía renovable. Elaborar el Inventario Nacional de Energías Renovables, así como expedir disposiciones que regulen la generación de electricidad, elaborar una metodología para valorar las externalidades y disposiciones relevantes al pago de contra prestaciones por los servicios entre los suministradores y los generadores de electricidad; identificar las opciones apropiadas para el desarrollo e incorporar proyectos demostrativos y programas de implementación en materia de energía renovable. Estrategia 3. Electrificación utilizando Fuentes Renovables. Generar los mecanismos para facilitar el acceso a la energía eléctrica, así como promover el desarrollo de tecnologías adecuadas para la electrificación rural. Promover la capacitación técnica y fomentar procesos de autogestión comunitaria para otorgar sustentabilidad mediante energías renovables para grupos vulnerables o en condiciones de marginación. Estrategia 4. Desarrollo y Promoción. Crear esquemas de financiamiento a nivel internacional así como para empresas nacionales y extranjeras, apoyar el establecimiento y fortalecimiento de organismos; además, fomentar la inversión privada para la creación y fortalecimiento de empresas dedicadas al diseño y fabricación de componentes y equipos e instalación y venta de equipos de energía renovable. Crear el Consejo Consultivo para las Energías Renovables, como mecanismo que permita agrupar a los interesados e involucrados en la materia. Estrategia 5. Infraestructura y Regulación. Incorporar la infraestructura y promover el uso de las energías renovables en proyectos de autoabastecimiento y de cogeneración eficiente en viviendas, instituciones del gobierno y otras empresas; estudiar la posible aplicación de instrumentos regulatorios para el impulso de la cogeneración eficiente, tomando en cuenta las características propias de este tipo de proyectos. Apoyar el desarrollo de instrumentos técnicos y jurídicos para promover la utilización de energías renovables y asegurar el cumplimiento expedito y transparente de dichos instrumentos. Página 286 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Estrategia 6. Investigación y Desarrollo Tecnológico. Fomentar la cooperación internacional en investigación y desarrollo tecnológico, así como tratados y acuerdos de entendimiento. Apoyar el desarrollo de soluciones y aplicaciones tecnológicas en materia de energías renovables a nivel local y el desarrollo de recursos humanos capacitados en esta materia para la creación e implementación de proyectos de energías renovables. Las estrategias y líneas de acción presentadas en este Programa deben ser analizadas por los organismos y autoridades interesados en desarrollar energía por fuentes renovables. Es necesario considerar el panorama en México para el fomento e instrumentación, así como el potencial de las diversas fuentes de energía renovable para lograr que éstas sean sustentables y competitivas al largo plazo y que puedan continuar siendo desarrolladas en el futuro. COSTOS DE REFERENCIA Para el desarrollo de este tipo de fuentes renovables es importante considerar los costos para la generación de energía por estos medios y que puedan seguir siendo implementados en el futuro. El costo variable es relativamente menor a las fuentes fósiles, aunque la mayor parte de ellas siguen teniendo costos fijos elevados. Pero con la evolución tecnológica, la optimización de cadenas de suministro, los procesos de manufactura y la mayor diseminación se consideran, como entre otros factores, que permitirán la reducción de sus costos en el transcurso de los próximos años. A nivel mundial, la evolución esperada de los costos de capital para las tecnologías de fuentes renovables, será: Página 287 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Tabla 7.1 Evolución de precios por generación de energía eléctrica.277 En la tabla se muestra la evolución de los precios por generación de energía eléctrica con fuentes renovables (dólares de 2007 por Kw.) de cada una de las fuentes de energía renovables para el 2030, las energía fotovoltaica y la biomasa destacan por presentar reducciones en un poco mas del 20%. El empleo de este tipo de energías permitiría disminuir la dependencia del país en cuanto a fuentes fósiles, así como también se pueden considerar como recursos viables para ampliar la matriz energética por medio de la participación de estas fuentes de energía en diversos sectores y regiones del país. En general, este programa presenta las nociones básicas hacia dónde dirigir los esfuerzos para fomentar el uso de las energías renovables. 277 PAGINA DE INTERNET http://www.zafranet.com Página 288 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 7.2 ENERGÍA DEL OLEAJE La electricidad es una fuente de energía no almacenable, derivada de fuentes fósiles o renovables, sencilla de transportar y de distribuir y la utilizan la mayoría de las aplicaciones usadas por el hombre. Sin embargo, se necesita constante trabajo para producirla. En repetidas ocasiones se pierde al no ser consumida en el momento de su demanda con el correspondiente deterioro del medio en forma de emisiones a la atmósfera, ruido, alteración de los ecosistemas y cambio climático. El objetivo de la utilización de energías alternas, es aplicar a la naturaleza en beneficio del ser humano, siendo una fuente de vida, aplicando los conocimientos científicos y empíricos para el diseño, la producción y/o el perfeccionamiento de proyectos constructivos en forma de máquinas y materiales para el empleo y la satisfacción del hombre, sin dañar el entorno ambiental, realizando asimismo, el análisis de impacto ambiental, económico y financiero de los insumos necesarios en el proceso, lo que trae consigo un proyecto con energía barata comparada con la obtenida de fuentes convencionales. En la actualidad países industrializados como Japón, Reino Unido, Escandinavia y la India tienen un particular interés en la investigación en este tema, de tal manera que en los últimos años se han dedicado a la investigación de fuentes alternativas de obtención y aprovechamiento de energía, entre las que se encuentran la energía solar térmica, solar fotovoltaica, energía eólica, energía hidráulica, energía marina, energía de la biomasa, energía geotérmica, energía procedente del tratamiento de aguas, combustibles biológicos, combustible sintético diesel, hidrogeno, fusión nuclear, metano congelado, celdas de combustible, entre otros. En el contexto de un desarrollo sustentable, hay muchos factores que se toman en cuenta al momento de realizar decisiones relacionadas con la producción de energía: impacto ambiental, manejo apropiado de los residuos, mayor seguridad, cuestiones intergeneracionales e igualdad internacional. Teniendo en cuenta el interés sobre los cambios climáticos producidos por el hombre, existe una preocupación creciente sobre la obligación de utilizar recursos de energía sustentables. La energía de las olas es uno de esos recursos sustentables. El estudio de la Energía marina se divide en tres campos: a) Energía de las Mareas. b) Energía de las Olas. c) Energía Térmica. Página 289 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS a) ENERGÍA DE LAS MAREAS Las mareas son movimientos oscilatorios del nivel del mar, debido a las fuerzas de atracción gravitacional que la Luna y el Sol ejercen sobre las partículas líquidas de los océanos. El comportamiento de las mareas y el desnivel de las mismas dependen de la posición relativa de la Tierra, el Sol y la Luna, que cambia cada día, y de la proporción Mar – Tierra, de su distribución geográfica, de la topografía local, de la profundidad de las cuencas oceánicas, de los fenómenos meteorológicos, entre otros factores. La amplitud de las mareas, es decir, la diferencia entre los niveles más alto (pleamar) y más bajo (bajamar), da lugar a que el agua de los mares contenga energía cinética. Esta energía, denominada mareomotriz, se puede utilizar mediante la construcción de diques que cierran una bahía para conseguir recoger y almacenar el agua cuando sube la marea. El agua marina se retiene mediante compuertas hasta la bajamar para que, aprovechando la energía potencial originada por el desnivel mar-dique, puedan accionar las turbinas que, acopladas a un generador eléctrico, producen electricidad. Fig. 7.4 Esquema Conceptual Del Aprovechamiento De La Energía De La Marea.278 La energía mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han evitado una proliferación notable de este tipo de energía. Una de las mayores centrales mareomotrices en el mundo está en el estuario de Rance (Francia). La descripción de este proyecto y el funcionamiento de este se cita a continuación: Los primeros molinos de marea se construyeron en Francia, en las costas bretonas, a partir del siglo XII. El molino se instalaba en el centro de un dique que cerraba una ensenada. Se creaba así un embalse que se llenada durante el flujo a través de compuertas y que se vaciaba en el reflujo, durante el cual la salida del agua accionaba la rueda de paletas. La energía sólo de obtenía una vez por marea. Si han transcurrido tanto tiempo en pasar de los sistemas 278 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 23, 557 pp Página 290 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS rudimentarios a los actuales se debe a que la construcción de una central mareomotriz plantea problemas importantes y exige sistemas tecnológicos avanzados.279 Se eligió el estuario de la Rance debido a que está sometido a fuertes mareas. El embalse creado por las obras que represa el sitio tiene un volumen de 184 millones de m3 entre los niveles de pleamar y bajamar. Se extiende por una distancia de 20 km; se alarga hasta la orilla del estuario situada a un costado de la parte más profunda del río. Para un visitante la central no es más que un túnel del concreto reforzado y mide 386 m de longitud.280 Fig.7.5 Central maremotriz de La Rance, Francia.281 FUNCIONAMIENTO Fig. 7.6 Generación de Energía Mareomotriz.282 279 Energías Renovables: Una Perspectiva Ingenieril, Omar Guillén Solís, Año 2004, Ed. Trillas, País México, 54 pp 280 Energy Alternatives, Gabriel Cruden, Año 2005, Ed. Thomson Gale, País E.U., 57 pp http://www.altenergymag.com/emagazine.php?issue_number=07.08.01&article=barrage 282 http://www.elheraldociudadano.com.mx/2009/05/27/energias-alternativas-el-potencial-del-mar-14-energiamareomotriz/ 281 Página 291 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS De acuerdo a la figura 7.6, este tipo de dispositivo consiste en instalar grupos del tipo "bulbo", que permiten aprovechar la corriente en ambos sentidos, de flujo y reflujo, de esta manera se utilizan al máximo las posibilidades que ofrecen las mareas. Cada grupo está formado por una turbina cuya rueda motriz tiene cuatro palas orientables y va a acoplada directamente a un alternador. Funcionan dentro de un recinto metálico en forma de proyectil. En el caso de “La Rance”, la central mareomotriz, con un conjunto de 24 grupos del tipo "bulbo" tiene una potencia de 220 MW. Alcanza un nivel máximo de marea de 13.5 y una producción media de 540 GWh. Además del aporte de energía eléctrica, representa un importante centro de desarrollo e investigación. A ella se deben avances tecnológicos en la construcción de estructuras de concreto dentro del mar, estudios de corrosión marina de los metales y evolución de los grupos bulbo.283 El impulso en el aprovechamiento de esta fuente de energía se logró con una turbina tipo "Straflo" (término que viene de las palabras straight y flow: flujo recto). La innovación de este sistema radica en que el generador eléctrico circunda los álabes de la turbina, en vez de ir instalando a continuación del eje de la misma. Así se logra un aumento de rendimiento, ya que el generador no se interpone al flujo del agua. a) ENERGÍA DE LAS OLAS Las olas del mar son una fuente concentrada de energía cinética que constituye una forma de aprovechamiento de energía renovable, a través de la acción del viento sobre la superficie del mar. La energía está almacenada en la ola hasta que ésta alcanza las playas o zonas poco profundas donde las olas "rompen" y liberan la energía acumulada, en ocasiones de manera catastrófica. Según aumenta la distancia a la costa aumentan la longitud y la altura; y en consecuencia, la energía acumulada. Una de las propiedades características de las olas es su capacidad de desplazarse a grandes distancias sin pérdidas importantes de energía. Los dispositivos para aprovechar la energía almacenada en las olas deben captar la energía cinética y/o potencial de las mismas y convertirla eficientemente en otra forma de energía útil, generalmente energía eléctrica; para ello se proponen los siguientes sistemas los cuales están clasificados en: Sistemas fijos. Se fijan a la plataforma continental. Sistemas Flotantes. Se instalan mar adentro y flotan en la superficie marina 283 Energías Renovables: Una Perspectiva Ingenieril, Omar Guillén Solís, Año 2004, Ed. Trillas, País México, 55 pp Página 292 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS SISTEMAS FIJOS Se anclan al fondo del mar o en la costa, de manera que la estructura principal no se mueve con el mar. Sin embargo, estos aparatos disponen de elementos que pueden moverse respecto de la estructura fija, cuanto las olas actúan sobre los mismos, y convierten la energía del oleaje en energía mecánica, la cual es generalmente transformada en energía eléctrica. Estos dispositivos son más fáciles de fabricar y mantener que los dispositivos flotantes, sin embargo, presentan varios inconvenientes: a) El reducido número de lugares costeros donde se puedan instalar y b) que capturan mucho menos energía que los aparatos flotantes que se instalan alejados de la costa, debido a que las olas en aguas profundas disponen de más energía que las olas de las aguas más cercanas a la costa. 1. Sistema de Canal Estrecho (Tapchan). Se desarrollan a partir de un fenómeno observado con frecuencia en las lagunas naturales. En un conducto de sección decreciente que abastece a un embalse construido sobre un acantilado, con varios metros sobre el nivel del mar. El estrechamiento provoca que las olas incrementen su amplitud. La energía cinética producida por el movimiento de las olas se convierte en energía potencial cuando el agua se almacena en la presa. Después se conduce esta agua hacia una turbina tipo Kaplan. Este sistema tiene pocas partes móviles en los sistemas de generación, bajos costos de mantenimiento y alta rentabilidad. En el diagrama siguiente se ejemplifica un sistema de 350 kW probada en Noruega en 1985. En este diseño en particular, las olas fueron canalizadas a través de un canal cónico, cuyas paredes alcancen una altura entre 2-3m por encima del nivel del mar. Esto permite por una parte que grandes olas sobrepasen el muro, mientas que las pequeñas olas suban por el canal. La mayoría de los trabajos de ingeniería fue construida en un barranco natural en la roca - una característica que permitió que el sistema para soportar varias tormentas durante sus 5 años de operación. Un sitio para el sistema de este tipo debe tener las siguientes características: 284 Las ondas deben ser persistentes para obtener la energía de la onda media. Debe ser de aguas profundas cerca de la costa para que así las ondas que se aproximen no se disipen Amplitud de las mareas <1m Un medio conveniente y barato de construir el embalse. 284 Renewable Energy Resources: second edition, Twidell John W. & Weir Anthony, año 2006, Taylor & Francis Group, País E.U., 1,2, 429-433 pp Página 293 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.7 Esquema de Sistema Tapchan.285 2. Columna de agua oscilante (OCW). Es una estructura de acero o concreto reforzado cerrada por su parte superior y parcialmente sumergida y con una abertura bajo el nivel del mar que confina una columna de aire sobre una columna de agua. 10 De acuerdo a la siguiente figura genera electricidad en un proceso de dos fases: al penetrar la ola en la columna (cavidad abierta parcialmente sumergida bajo el agua) ejerce una fuerza sobre el aire encerrado y lo hace pasar a través de una turbina e incrementa la presión en el interior de la columna. En un movimiento oscilatorio, cuando la ola se retira el aire que regresa a su posición inicial pasa a través de la una turbina tipo Wells (Fig. 7.9 f a) y b)) y hace que la presión del aire interior se reduzca. Fig. 7.8 Instalaciones de columna oscilante de agua (OWC)286 285 Renewable Energy Resources’: second edition, Twidell John W. & Weir Anthony, 2006, Taylor & Francis Group, País E.U., 419 pp 286 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 22, 533 pp Página 294 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.9 a) Turbina Wells, Su Trabajo Es En Forma Axial, Es Decir, El Movimiento De La Turbina Es Independiente De La Dirección De Los Fluidos; b) Propuesta De Una Hoja De La Turbina 287 Tabla 7.2 Aparatos de estructura fija, basados en columnas oscilantes de agua que se han instalado en diversas partes del mundo.288 Nombre Capacidad Instalada Sanze-Japón Toftestallen- Noruega Neya-Japón Kujukuri-Japón Sakata-Japón Islay-Escocia Islay-Escocia Trivandrum-India isla de Pico- Las Azores-Portugal 40kW 600kW 40kW 30kW 60kW 75kW 500kW 150kW 350-500kW Figura i j k l m 287 Renewable Energy Resources: second edition, Twidell John W. & Weir Anthony, 2006, Taylor & Francis Group, País E.U., 426 pp 288 Renewable Energy Resources: second edition, Twidell John W. & Weir Anthony, 2006, Taylor & Francis Group, País E.U., 427 pp Página 295 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.10 Sanze-Japón 289 Fig. 7.11 ToftestallenNoruega.290 Fig. 7.12 Sakata-Japón 291 Fig. 7.13 Islay-Escocia 292 Fig. 7.14 Islay-Escocia.293 289 http://www.jamstec.go.jp/jamstec/MTD/Whale/sanz1.jpg http://www.uni-leipzig.de/~grw/welle/wenergie_3_80.html 291 http://www.uni-leipzig.de/~grw/lit/texte_099/26__1994/26_1994_breakwater.htm 292 http://orbitalvector.com/Power/Wave%20Energy/WAVE%20ENERGY.htm 293 http://orbitalvector.com/Power/Wave%20Energy/Limpet2-OCW%20gen.jpg 290 Página 296 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 3. Dispositivo Pendular. Consiste en una caja rectangular que abre había el mar en su posición final. La acción de las olas provoca el movimiento pendular de una pequeña puerta colgada sobre la abertura y transmite la energía a una bomba hidráulica y un generador. Disponen de una potencia instalada de 5kW. 4. Rectificador de Russell. Se trata de un aparato totalizador constituido por módulos, cada uno constituido por dos tanques situados a alturas diferentes, los cuales se comunican a través de una turbina de pequeño salto. El dispositivo se fija al fondo del mar en zonas de poca profundidad. Las crestas de las olas introducen el agua en el tanque superior, la cual pasa, por acción de la fuerza de gravedad, a través de los alabes de la turbina, al tanque inferior. Un sistema de válvulas unidireccionales es el encargado de permitir la entrada de agua en el tanque superior y la salida de la misma por el inferior. Generadores eléctricos, mecánicamente conectados a las turbinas, son los encargados de producir electricidad. Tabla 7.3 Distribuidores Comerciales de Dispositivos Generadores de Energía DISPOSITIVO Oscillating Water Column OCW Archimedes Wave Swing Pelamis Wave Dragon Waveplane Ocean Power Tecnologies OPT CARACTERÍSTICAS El movimiento alternativo de la superficie del mar produce un flujo de aire a través de una turbina cuya característica principal es que gira en un único sentido independiente del sentido del flujo de aire. Se basa en un estructura presurizada donde la parte superior es móvil respecto a la parte interior debido al efecto de las olas. Este movimiento produce una energía eléctrica a través de un generador lineal. Planta piloto en la costa Portuguesa. Se basa en una estructura articulada que dispone en sus nodos de unión de un sistema hidráulico que actúa sobre un generador eléctrico. El movimiento relativo de una articulación respecto a su nodo actúa sobre una bomba hidráulica que alimenta un depósito a presión. Este fluido actúa un generador electro-hidráulico. El dispositivo está flotando con una altura relativa al nivel del mar. Las olas van llenando una reserva que en su desagüe dispone de una o varias turbinas de baja presión a las que se acopla un generador de imanes permanentes. Cuando las olas superan la estructura el agua entra en una reserva que al desaguar hace girar una turbina hidráulica. Se basa en comprimir aceite a través del movimiento pendular y vertical producido por las REFERENCIA: PÁGINA WEB http://www.oceanlinx.com http://www.wavegen.com/ http://www.waveswing.com/ http://www.pelamiswave.com/ http://www.wavedragon.net/ http://www.waveplane.com/ http://www.oceanpowertechnologies.com/ Página 297 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS AquaBouy olas en la boya. El aceite acciona un motor hidráulico que mueve un generador eléctrico. Aprovecha el movimiento ascendente y descendente de una boya para bombear agua a una turbina pelton situada en cabeza. http://www.aquaenergygroup.com/ SISTEMAS FLOTANTES Los dispositivos de estructura flotante oscilan con las olas y necesitan disponer de un armazón estable de referencia para que las partes activas del aparato se puedan mover respecto de la estructura principal. Esto se puede lograr aprovechando la inercia, o haciendo la estructura suficientemente grande para que se apoye en varias crestas de olas y pueda permanecer razonablemente estable en la mayoría de los estados de la mar.294 Esta clase de aparatos explota la mayor cantidad de energía de las olas, disponible a mayores profundidades de agua (más de 40m de profundidad). Son, principalmente, aparatos flotantes que se mantienen en su lugar con ayuda de diferentes sistemas de amarre. En general, estos aparatos están menos desarrollados que las columnas oscilantes de agua. Existen diversos diseños, algunos de los cuales se encuentran actualmente en fase de desarrollo y comercialización. Se han desarrollado algunos de los siguientes prototipos: 1. Sistema Hosepump. Consiste en un tubo flexible especialmente reforzado (cuyo volumen interno decrece cuando se estira), conectado a un flotador. El movimiento vertical del flotador alarga y relaja el tubo presurizado el agua del mar que se impulsa a través de una válvula de no retorno hacia una unidad central formada por turbina y generador. 2. Dispositivo McCabe Wave Pump. Se coloca en tres barcazas de acero rectangulares que se mueven sobre las olas con cierto movimiento relativo entre ellas. La clave está en un plato amortiguador conectado a la barcaza central que asegura que permanezca inmóvil cuando las barcazas delantera y trasera se muevan relativamente con respecto al amortiguador inclinándose alrededor de las bisagras. La energía se extrae de la rotación sobre las bisagras mediante bombas hidráulicas lineales montadas sobre la barcaza central y las dos exteriores. 3. Mighty Whale. Constituye el aparato flotante, basado en el fenómeno de las columnas oscilantes de agua, más grande del mundo, y fue botado en Julio de 1988 por el Centro de Ciencia y Tecnología Marina de Japón. Este prototipo, que se amarra en el fondo 294 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 22, 526-528, 548 pp Página 298 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS del mar opuesto a la dirección predominante de las olas, tiene un desplazamiento de 4.400 toneladas y mide 50 metros de largo por 30 metros de ancho. Tiene tres cámaras de aire que convierten la energía de las olas en energía neumática. La acción de las olas origina que el nivel de agua interna en cada cámara suba y baje, forzando un flujo bi-direccional de aire sobre cada una de las tres turbinas, cada una de las cuales mueve un generador, de diferente potencia nominal (50kW, 10kW y 30kW), produciendo electricidad. La electricidad obtenida es suministrada a áreas costeras cercanas. El almacenamiento en baterías asegura que se pueda disponer de electricidad incluso durante periodos de reducida actividad de las olas. Se pretende que una fila de estos aparatos puedan ser usados para proporcionar energía a piscifactorías ubicadas en aguas en calma detrás del aparato, y para la aireación/purificación de agua de mar. Este dispositivo ha estado operando a 1,5 km de la Bahía de Gokasho (océano Pacífico), sujeto al fondo del mar (aproximadamente a una profundidad de 40 metros) con seis cables.295 Fig. 7.15 Islay-Escocia.296 4. Pato Salter. Consiste en un flotador alargado cuya sección tiene forma de pato. La parte más estrecha del flotador se enfrenta a la ola con el fin de absorber su movimiento lo mejor posible. Los flotadores giran bajo la acción de las olas alrededor de un eje cuyo movimiento de rotación acciona una bomba de aceite que a su vez, acciona una turbina. 295 Renewable Energy Resources: second edition, Twidell John W. & Weir Anthony, Año 2006, Taylor & Francis Group, País E.U.419-422 pp 296 http://www.jamstec.go.jp/jamstec/myt.html Página 299 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Este aparato convierte la energía cinética y potencial de las olas en un movimiento de rotación alternativo, que a su vez se transforma en electricidad mediante el uso de un generador eléctrico. IMPACTO AMBIENTAL Entre los posibles impactos negativos pueden señalarse los siguientes: Impacto visual. El impacto visual depende del tipo de aparato y de su distancia de la línea de costa. En general, un sistema de boya flotante o una plataforma situada mar a dentro o un sistema sumergido, probablemente no presente mucho impacto visual. Cuando un área depende del turismo, la obstrucción visual es crítica. Ruido. Los sistemas de conversión de la energía de las olas producen ruido, aunque los niveles suelen ser menores que los ruidos de un barco. Cuando operan a plena carga, no se espera que sean más ruidosos que el viento o las olas, además, estos sistemas pueden ser construidos con un buen material aislador de ruidos. El ruido generado puede viajar largas distancias debajo del agua y pueden afectar a ciertos animales, tales como las ballenas, las focas, etc. Se precisan más investigaciones para determinar si existen impactos en la vida de los mamíferos debido al ruido de estos aparatos. Molestias y destrucción de la vida marina. Los aparatos de captación de la energía de las olas pueden tener una variedad de efectos en el comportamiento del oleaje. Esto podría influir en las áreas de línea de costa y en las plantas y animales que viven en ella. Los sistemas ubicados en tierra requieren importantes modificaciones que afectan al impacto ambiental. Los impactos potenciales incluyen las molestias o destrucción de vida marina (incluyendo cambios en la distribución y tipos de vida marina cerca de la costa). La instalación de las estructuras soporte y colocación de cables pueden interrumpir temporalmente la vida marina. Sin embargo, la ecología, probablemente, se recuperará. Los efectos de los aparatos alejados de la costa, probablemente, son pequeños (aunque grandes aparatos podrían tener efectos notables) Al absorber la energía de las olas, estos aparatos crean aguas en calma a su abrigo produciendo áreas válidas para actividades marinas, comerciales o recreativas. Las estructuras marinas en el océano proporcionan superficies apropiadas para que se desarrollen variedad de algas e invertebrados, que podrán colonizar los dispositivos. Por tanto, desde el punto de vista del la conservación de estos dispositivos, es necesario tomar medidas correctoras (inyección directa de bióxidos, chorros a presión que desprendan a estos organismos de la estructuras, etc.) que eviten la destrucción de los mismos. Erosión de la costa. Los dispositivos de captación de la energía de las olas concentran la energía de estas en un área antes de su captación (Por ejemplo, los sistemas denominados TAPCHAN). Estos tipos de aparatos concentradores pueden originar un incremento de la erosión de la costa. Una reducción de la acción del oleaje en zonas de la línea de costa puede incrementar el depósito de sedimentos. Página 300 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Conflictos con la navegación. Una vez instalados, los sistemas de captación de la energía del oleaje podrían ser un peligroso obstáculo para cualquier embarcación que no pueda verlos o detectarlos por radar. Para la mayoría de los aparatos, esto podría superarse con técnicas convencionales (por ejemplo, luces, pinturas, reflectores, etc.) Interferencia con otras actividades recreativas. Los sistemas de captación de la energía de las olas, si no están adecuadamente situados, pueden interferir con otros usos de las áreas de costa tales como surfing, paseos en barco, y usos de la playa. Por otro lado esta fuente de energía presenta una serie de ventajas, entre las que se pueden señalar: Se trata de un recurso renovable y sostenible. Es un recurso abundante. Se reduce la dependencia de los combustibles fósiles. No contamina. Es relativamente predecible. Es relativamente consistente (más que la mayoría de las fuentes renovables) Es modular. Elevada flexibilidad para su instalación (en tierra, cerca de la costa, mar a dentro) Se trata de una energía muy concentrada. Disipa la energía de las olas/protege la línea de costa. Tiene múltiples aplicaciones (Generación de electricidad, Producción de hidrogeno por electrolisis, desalinización de agua por osmosis inversa, etc.) a) ENERGIA TÉRMICA OCEANICA El aprovechamiento de los gradientes térmicos de las aguas oceánicas se lleva a cabo en las denominadas plantas maremotérmicas. En estas plantas se transforma la energía térmica en energía eléctrica utilizando un ciclo termodinámico denominado “ciclo de Rankine”. En este ciclo se emplea calor para evaporar un líquido, que posteriormente se utiliza en el accionamiento de una turbina, la cual se acopla a un generador eléctrico para producir energía eléctrica. La conversión de energía térmica oceánica es un método para convertir en energía útil la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y la energía que se encuentra a profundidades del orden de los 100 m. Con respecto a la ubicación de las centrales maremotérmicas comerciales hay que señalar que éstas deben instalarse en un entorno que sea bastante estable para lograr una eficiente operación del sistema. Para lograrlo, las plantas se construyen en: Tierra firme, o zona cercana a la costa Plantas montadas en plataformas. Página 301 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Instalaciones flotantes o amarradas en profundas aguas oceánicas.297 Existen básicamente tres tipos de sistemas para el aprovechamiento de esta fuente de energía: Sistemas de ciclo abierto. Sistemas de ciclo cerrado. Sistemas de ciclo híbrido. CICLO ABIERTO Denominado también ciclo de Claude, se usa el agua caliente de la superficie del océano como fluido de trabajo para accionar la turbina. El agua caliente se evaporiza súbitamente en un evaporador en el que previamente se ha extraído el aire, con una bomba de vacío. Al disminuir la presión en el evaporador por falta de aire, también disminuye la temperatura de ebullición del agua de mar, por lo que ésta hierve a la temperatura en que se encuentra en la superficie del mar. En el evaporador se obtiene una mezcla de vapor y agua líquida a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del agua. El vapor separado del agua líquida pasa a través de una turbina de expansión, accionándola, y seguidamente se dirige a un condensador, en el que se obtiene de nuevo agua líquida saturada a una presión y temperatura aproximadas de 0,017 bares y 15ºC, respectivamente. El condensador, de los denominados de contacto directo, utiliza el agua fría del mar como fluido refrigerante. El agua líquida procedente del evaporador y del condensador se retorna al mar. El proceso se repite con continuos suministros de agua caliente y fría.298 297 Energías Renovables: Una Perspectiva Ingenieril, Omar Guillén Solís, Año 2004, Ed. Trillas, País México, 59 pp. 298 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 24, 575-577, 581, 582, 588 pp. Página 302 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.16 esquema conceptual de una central maremotérmica de ciclo abierto.299 El rendimiento de este sistema es muy bajo, sobre un 7%. Ello se debe a la baja temperatura del foco caliente y la poca diferencia de temperatura entre el foco frío y caliente. Además, es preciso consumir energía para bombear el agua fría de las profundidades del mar para condensar el vapor y para accionar la bomba de vacío del evaporador. Se estima que entre un 20% a un 30% de la potencia eléctrica generada se consume en las operaciones de bombeo. Además, hay que señalar que las bajas presiones del vapor de trabajo implica la necesidad de diseñar turbinas específicas, de gran tamaño, lo que dificulta el desarrollo de este tipo de sistemas. CICLO CERRADO En el sistema de ciclo cerrado, denominado también ciclo de Anderson, el calor se transfiere desde el agua caliente procedente de la superficie del mar a un fluido de trabajo de bajo punto de ebullición (tales como el propano, freón o el amoniaco) para evaporarlo a presiones más adecuadas (aproximadamente 10 bares). El vapor expandido se dirige a la turbina acoplada al generador que produce electricidad. El agua fría del mar pasa a través de un condensador que contiene el fluido de trabajo vaporizado transformándolo en líquido, que es reciclado a través del sistema. 299 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 22, 575 pp. Página 303 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.17 Esquema Conceptual de una Central Maremotérmica de Ciclo Cerrado.300 Los sistemas de ciclo cerrado presentan la ventaja, respecto a los sistemas de ciclo abierto, de necesitar turbinas más pequeñas. Ello se debe a que la presión y el volumen específico del fluido de trabajo son más elevados. Sin embargo, hay que señalar que las superficies de transferencia de calor en el evaporador y el condensador son más grandes debido al bajo rendimiento del sistema. CICLO HIBRIDO Los sistemas híbridos combinan las características de los sistemas de ciclo abierto y de ciclo cerrado como medio de optimizar su funcionamiento. Con estos sistemas híbridos se persigue la producción de electricidad y la desalinización de agua de mar. En un sistema híbrido, el agua caliente del mar entra en un evaporador donde es súbitamente evaporada, de forma similar a lo que ocurre en un proceso de evaporación de ciclo abierto. El calor del vapor obtenido se utiliza para vaporizar el fluido de trabajo, de bajo punto de ebullición, que circula en un ciclo cerrado. El fluido vaporizado acciona una turbina que produce electricidad. El vapor obtenido del agua de mar se condensa dentro de intercambiador de calor proporcionando agua desalinizada, que puede ser utilizada para consumo humano, agrícola etc. 300 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 24, 576 pp. Página 304 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.18 Esquema Conceptual de una Central Maremotérmica de Ciclo Hibrido.301 Con respecto a la ubicación de las centrales maremotérmicas comerciales hay que señalar que éstas deben instalarse en un entorno que sea bastante estable para lograr una eficiente operación del sistema. Para lograrlo, las plantas se construyen en: Tierra firme, o zona cercana a la costa Plantas montadas en plataformas. Instalaciones flotantes o amarradas en profundas aguas oceánicas. IMPACTO AMBIENTAL Ventajas: 1. Las plantas maremotérmicas usan fuentes naturales de energía, que son abundantes, limpias y renovables. El agua caliente de las superficies y el agua fría de las profundidades de los océanos reemplazan a los combustibles fósiles para generar electricidad. 2. Plantas maremotérmicas adecuadamente diseñadas producen poco o nada de dióxido de carbono u otras sustancias químicas contaminantes que contribuyen a la lluvia ácida o al calentamiento global (el “efecto invernadero”) 3. Los sistemas maremotérmicos pueden producir agua potable y electricidad. Esto constituye una ventaja significativa en islas donde el agua potable escasea. 301 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 24, 577 pp. Página 305 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4. Hay suficiente energía solar almacenada en las capas calientes superficiales del agua de los mares tropicales para cubrir la mayor parte de las actuales necesidades energéticas de la humanidad. 5. El empleo de plantas maremotérmicas como fuente de electricidad ayudará a reducir la dependencia de los combustibles fósiles importados. 6. El agua fría del mar procedente de los procesos maremotérmicos puede tener diversos usos adicionales, incluyendo acondicionamiento de aire de edificios, alimentación de peces, crustáceos, algas marinas y otras plantas marinas que encuentran en estas aguas profundas muchos nutrientes. Fig. 7.19 Diversos Usos de la energía maremotérmica302. Desventajas: 1. Las plantas maremotérmicas producen electricidad actualmente a un costo superior al que se obtiene mediante el empleo de combustibles fósiles. Los costos de la electricidad podrían reducirse significativamente si la planta operase sin importantes revisiones en 30 años o más, pero no se disponen de datos sobre los ciclos de vida de estas plantas. 2. Las plantas maremotérmicas deben instalarse donde existan diferencias de temperatura a lo largo del año de 20ºC. Las profundidades del océano deben estar disponibles muy cerca de la costa para economizar las operaciones 3. Aunque se han realizado numerosos ensayos de plantas maremotérmicas de pequeña escala, se precisa de la construcción de de una planta piloto o de demostración de tamaño comercial para obtener una mayor información de su viabilidad. 302 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 24, 587 pp. Página 306 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4. La construcción de plantas maremotérmicas y la colocación de de tuberías en las aguas costeras pueden causar un daño localizado a los arrecifes y ecosistemas marinos cercanos. 5. Son necesarios algunos desarrollos adicionales de componentes claves para que las futuras plantas maremotérmicas tengan éxito (Por ejemplo, que las tuberías para extracción del agua de las profundidades marinas sean menos costosas; construcción de turbinas de menor presión y condensadores más apropiados para los sistemas de ciclo abierto, etc.) Página 307 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 7.3 BIOMASA O BIOGAS El término biomasa se refiere a toda la materia orgánica que proviene de árboles, plantas y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía; o las provenientes de la agricultura (residuos de maíz, café, arroz, etc.), del aserradero (podas, ramas, aserrín, cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica y otros). Es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal. La energía de la biomasa proviene de la energía que almacenan los seres vivos. En primer lugar, los vegetales al realizar la fotosíntesis, utilizan la energía del sol para formar sustancias orgánicas. Después los animales incorporan y transforman esa energía al alimentarse de las plantas. Los productos de dicha transformación, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energético. Las fuentes más importantes de biomasa son los campos forestales y agrícolas pues en ellos se producen residuos (rastrojos) que normalmente son dejados en el campo al consumirse sólo un bajo porcentaje de ellos con fines energéticos. En la agroindustria, los procesos de secado de granos generan subproductos que son usados para generación de calor en sistemas de combustión directa; tal es el caso del bagazo de caña de azúcar, la cascarilla de café y la del arroz. Por otro lado, los centros urbanos generan grandes cantidades de basura compuestas en gran parte, por materia orgánica que puede ser convertida en energía, después de procesarla adecuadamente. Fig. 7.20 Cascarilla de café en un beneficio, El Salvador. 303 Se considera que la biomasa es una fuente renovable de energía porque su valor proviene del Sol. A través del proceso de fotosíntesis, la clorofila de las plantas captura su energía, y convierte el dióxido de carbono (CO2) del aire y el agua del suelo en carbohidratos, para formar la materia orgánica. Cuando estos carbohidratos se queman, regresan a su forma de dióxido de carbono y agua, liberando la energía que contienen. En la figura b se muestran los contenidos de carbono en la biomasa existente en un bosque primario. De esta forma, la biomasa funciona como una especie de batería que almacena la energía solar. Entonces, se 303 MANUALES SOBRE ENERGIAS RENOVABLE: BIOMASA, Biomasa, Users Network (BUN-CA), pagina de consulta 4, 1a edición: -San José, Costa .Rica 2002. Página 308 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS produce en forma sostenida o sea - en el mismo nivel en que se consume – esa batería durará indefinidamente. Fig. 7.21 Toneladas de carbono por hectárea en el bosque primario.304 Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren un amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la agricultura, los desechos urbanos y las plantaciones energéticas (ver Figura 7.3 c), se usan generalmente, para procesos modernos de conversión que involucran la generación de energía a gran escala, enfocados hacia la sustitución de combustibles fósiles.157 Fig. 7.22 Origen de la biomasa.305 304 MANUALES SOBRE ENERGIAS RENOVABLE: BIOMASA, Biomasa, Users Network (BUN-CA), pagina de consulta 6, 1a edición: -San José, Costa .Rica 2002. 305 PÁGINA DE INTERNET: www.monografias.com/trabajos47/bloques-combustibles/Image3349.gif Página 309 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Existen diferentes tipos de biomasa: a) Biomasa natural b) Biomasa residual (seca y húmeda) c) Cultivos energéticos a) BIOMASA NATURAL Es la que se produce en la naturaleza sin ninguna intervención humana. El problema que presenta este tipo de biomasa es la necesaria gestión de la adquisición y transporte del recurso al lugar de utilización. Esto puede provocar que la explotación de esta biomasa sea inviable económicamente.306 Los residuos de procesos forestales son una importante fuente de biomasa que actualmente es poco explotada en el área centroamericana. Se considera que, de cada árbol extraído para la producción maderera, sólo se aprovecha comercialmente un porcentaje cercano al 20%. Se estima que un 40% es dejado en el campo, en las ramas y raíces, a pesar de que el potencial energético es mucho mayor, y otro 40% en el proceso de aserrío, en forma de astillas, corteza y aserrín. La mayoría de los desechos de aserrío son aprovechados para generación de calor, en sistemas de combustión directa; en algunas industrias se utilizan para la generación de vapor. Los desechos de campo, en algunos casos, son usados como fuente de energía por comunidades aledañas, pero la mayor parte no es aprovechada por el alto costo del transporte.307 b) BIOMASA RESIDUAL (SECA y HÚMEDA) Son los residuos que se generan en las actividades de agricultura (leñosa y herbácea) y ganadería, en las forestales, en la industria maderera y agroalimentaria, entre otras y que todavía pueden ser utilizados y considerados subproductos. Como ejemplo podemos considerar el aserrín, la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, etc. Se denomina biomasa residual húmeda a los vertidos llamados biodegradables, es decir, las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines). Desechos agrícolas: la agricultura genera cantidades considerables de desechos (rastrojos): se estima que, en cuanto a desechos de campo, el porcentaje es más del 60%, y en desechos de proceso, entre 20% y 40%. Al igual que en la industria forestal, muchos residuos de la agroindustria son dejados en el campo. Aunque es necesario reciclar un porcentaje de la biomasa para proteger el suelo de la erosión y mantener el nivel de nutrientes orgánicos, una cantidad importante puede ser recolectada para la producción de energía. Ejemplos comunes de este tipo de residuos son el arroz, el café y la caña de azúcar. Los campos agrícolas también son una fuente importante de leña para uso doméstico: más del 50% del volumen total consumido. 306 PÁGINA DE INTERNET: www.miliarium.com/Monografías/Energias/E_renovables/Biomasa.asp MANUALES SOBRE ENERGIAS RENOVABLE: BIOMASA, Biomasa, Users Network (BUN-CA), paginas de consulta 4-19, 1a edición: -San José, Costa .Rica 2002. 307 Página 310 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Por otro lado, las granjas producen un elevado volumen de “residuos húmedos” en forma de estiércol de animales. La forma común de tratar estos residuos es esparciéndolos en los campos de cultivo, con el doble interés de disponer de ellos y obtener beneficio de su valor nutritivo. Esta práctica puede provocar una sobre fertilización de los suelos y la contaminación de las cuencas hidrográficas. Desechos industriales: La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos, que pueden ser usados como fuentes de energía, los provenientes de todo tipo de carnes (avícola, vacuna, porcina) y vegetales (cáscaras, pulpa) cuyo tratamiento como desechos representan un costo considerable para la industria. Estos residuos son sólidos y líquidos con un alto contenido de azúcares y carbohidratos, los cuales pueden ser convertidos en combustibles gaseosos. Desechos urbanos: Los centros urbanos generan una gran cantidad de biomasa en muchas formas, por ejemplo: residuos alimenticios, papel, cartón, madera y aguas negras. La mayoría de los países centroamericanos carecen de adecuados sistemas para su procesamiento, lo cual genera grandes problemas de contaminación de suelos y cuencas; sobre todo por la inadecuada disposición de la basura y por sistemas de recolección y tratamiento con costos elevados de operación. Por otro lado, la basura orgánica en descomposición produce compuestos volátiles (metano, dióxido de carbono, entre otros) que contribuyen a aumentar el efecto invernadero. Estos compuestos tienen un considerable valor energético que puede ser utilizado para la generación de energía “limpia”.308 c) CULTIVOS ENERGÉTICOS Estos cultivos se generan con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible. Estos cultivos los podemos dividir en: 1. Cultivos ya existentes como los cereales, oleaginosas, remolacha, etc.: 2. Lignocelulósicos forestales (chopo, sauces, etc.) 3. Lignocelulósicos herbáceos como el cardo Cynara cardunculus309 Las plantaciones energéticas: son grandes plantaciones de árboles o plantas cultivadas con el fin específico de producir energía. Para ello se seleccionan árboles o plantas de crecimiento rápido y bajo mantenimiento, las cuales usualmente se cultivan en tierras de bajo valor productivo. Su período de cosecha varía entre los tres y los diez años. También se utilizan arbustos que pueden ser podados varias veces durante su crecimiento, para extender la capacidad de cosecha de la plantación. Existen también muchos cultivos agrícolas que pueden ser utilizados para la generación de energía: caña de azúcar, maíz, sorgo y trigo. Igualmente, se pueden usar plantas oleaginosas como palma de aceite, girasol o soya y algunas plantas acuáticas como jacinto de agua o las algas, para producir combustibles líquidos como el etanol y el biodiesel. 308 MANUALES SOBRE ENERGIAS RENOVABLE: BIOMASA, Biomasa, Users Network (BUN-CA), paginas de consulta 4-19, 1a edición: -San José, Costa .Rica 2002. 309 PÁGINA DE INTERNET: www.miliarium.com/Monografías/Energias/E_renovables/Biomasa.asp Página 311 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS La principal limitante para este tipo de plantaciones está en la escala, pues se requieren grandes extensiones de tierra para lograr una producción de energía rentable. Por esta razón, son factibles cuando se desarrollan con algún tipo de producción agrícola paralela, como por ejemplo, el maíz, la caña de azúcar y la palma de aceite.310 Fig. 7.23 Cultivos energéticos.311 VENTAJAS DE LA BIOMASA: Disminución de las emisiones de CO2: Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este gas a la atmósfera. No emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas: Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos. Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada. Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentes en el mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola, permitiendo la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos cerealistas. Puede provocar un aumento económico en el medio rural. Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles. 310 MANUALES SOBRE ENERGIAS RENOVABLE: BIOMASA, Biomasa, Users Network (BUN-CA), paginas de consulta 4-19, 1a edición: -San José, Costa .Rica 2002. 311 PÁGINA DE INTERNET: www.e-renovables.es/imagenes/biomasa.jpg Página 312 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS DESVENTAJAS DE LA BIOMASA: Tiene un mayor costo de producción frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles. Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles. Producción estacional. La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte y almacenamiento.312 PROCESOS DE CONVERSIÓN Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, tiene que ser convertida en una forma más conveniente para su transporte y utilización. A menudo, la biomasa es convertida en formas derivadas tales como carbón vegetal, briquetas, gas, etanol y electricidad. Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos simples y tradicionales, como la producción de carbón vegetal en hogueras bajo tierra; hasta procesos de alta eficiencia como la dendro-energía y la cogeneración. A continuación se presentan los procesos de conversión de biomasa más relevantes, los cuales se pueden clasificar en tres categorías: a) Procesos de combustión directa. b) Procesos termo-químicos. c) Procesos bio-químicos. a) PROCESOS DE COMBUSTIÓN DIRECTA Esta es la forma más antigua y más común, hasta hoy, para extraer la energía de la biomasa. Los sistemas de combustión directa son aplicados para generar calor, el cual puede ser utilizado directamente, como por ejemplo, para la cocción de alimentos o para el secado de productos agrícolas. Además, éste se puede aprovechar en la producción de vapor para procesos industriales y electricidad. Las tecnologías de combustión directa van desde sistemas simples, como estufas, hornos y calderas, hasta otros más avanzados como combustión de lecho fluidizado. Los procesos tradicionales de este tipo, generalmente, son muy ineficientes porque mucha de la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando no se realizan bajo condiciones controladas. Estos resultados se podrían disminuir considerablemente con prácticas mejoradas de operación y un diseño adecuado del equipo. Por ejemplo, secar la biomasa antes de utilizarla reduce la cantidad de energía perdida por la evaporación del agua y para procesos industriales, usar pequeños pedazos de leña y atender continuamente el fuego supliendo pequeñas cantidades resulta en una combustión más completa y, en consecuencia, en mayor eficiencia. Asimismo, equipos como los hornos se pueden mejorar con la regulación de la entrada del aire para lograr una combustión más completa y con aislamiento para minimizar las pérdidas de calor. 312 PAGINA DE INTERNET http://www.onenergias.com/energia-online/tag/energia-natural Página 313 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Densificación: Esta se refiere al proceso de compactar la biomasa en “briquetas”, para facilitar su utilización, almacenamiento y transporte. Las briquetas son para usos domésticos, comerciales e industriales. La materia prima puede ser aserrín, desechos agrícolas y partículas de carbón vegetal, el cual se compacta bajo presión alta. b) PROCESOS TERMO-QUÍMICOS Estos procesos transforman la biomasa en un producto de más alto valor, con una densidad y un valor calorífico mayor, los cuales hacen más conveniente su utilización y transporte. Cuando la biomasa es quemada bajo condiciones controladas, sin hacerlo completamente, su estructura se rompe en compuestos gaseosos, líquidos y sólidos que pueden ser usados como combustible para generar calor y electricidad. Dependiendo de la tecnología, el producto final es un combustible sólido, gaseoso, o combustible líquido. El proceso básico se llama pirolisis o carbonización e incluye: Producción de carbón vegetal: este proceso es la forma más común de la conversión termoquímica de temperatura mediana. La biomasa se quema con una disponibilidad restringida de aire, lo cual impide que la combustión sea completa. El residuo sólido se usa como carbón vegetal, el cual tiene mayor densidad energética que la biomasa original, no produce humo y es ideal para uso doméstico. Usualmente, este carbón es producido de la madera, pero también se usan otras fuentes como cáscara de coco y algunos residuos agrícolas. La forma más antigua, y probablemente aún la más empleada para producirlo, son los hornos de tierra y los de mampostería. El primero es una excavación en el terreno en la que se coloca la biomasa, la cual es luego cubierta con tierra y vegetación para prevenir la combustión completa. Los segundos son construidos de tierra, arcilla y ladrillo. Los hornos modernos son conocidos como retortas y fabricados en acero; conllevan cierta complejidad por su diseño y operación, lo que incrementa considerablemente los costos de inversión en comparación con los tradicionales, pero eleva su eficiencia y capacidad de producción, así como la calidad del producto. Gasificación: tipo de pirolisis en la que se utiliza una mayor proporción de oxígeno a mayores temperaturas, con el objetivo de optimizar la producción del llamado “gas pobre”, constituido por una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y metano, con proporciones menores de dióxido de carbono y nitrógeno. Este se puede utilizar para generar calor y electricidad, y se puede aplicar en equipos convencionales, como los motores de diesel. La composición y el valor calorífico del gas dependen de la biomasa utilizada, como por ejemplo: madera, cascarilla de arroz, o cáscara de coco. Existen diferentes tecnologías de gasificación y su aplicación depende de la materia prima y de la escala del sistema. La gasificación tiene ciertas ventajas con respecto a la biomasa original: 1) el gas producido es más versátil y se puede usar para los mismos propósitos que el gas natural; 2) puede quemarse para producir calor y vapor y puede alimentar motores de combustión interna y turbinas de gas para generar electricidad; 3) produce un combustible relativamente libre de impurezas y causa menores problemas de contaminación al quemarse. Sin embargo, la operación de gasificación es más complicada. En principio, un gasificado simple puede ser construido en talleres metal mecánicos Página 314 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS convencionales, pero se requiere experiencia y un prolongado período de ajuste para llevar el sistema a sus condiciones óptimas de operación. c) PROCESOS BIO-QUÍMICOS Estos procesos utilizan las características bio-químicas de la biomasa y la acción metabólica de organismos microbiales para producir combustibles gaseosos y líquidos. Son más apropiados para la conversión de biomasa húmeda que los procesos termo-químicos. Los más importantes son: Digestión anaeróbica: la digestión de biomasa humedecida por bacterias en un ambiente sin oxígeno (anaeróbico) produce un gas combustible llamado biogás. En el proceso, se coloca la biomasa (generalmente desechos de animales) en un contenedor cerrado (el digestor) y allí se deja fermentar; después de unos días, dependiendo de la temperatura del ambiente, se habrá producido un gas, que es una mezcla de metano y dióxido de carbono. La materia remanente dentro del digestor es un buen fertilizante orgánico. Los digestores han sido promovidos fuertemente en China e India para usos domésticos en sustitución de la leña. También se pueden utilizar aguas negras y mieles como materia prima, lo cual sirve, además, para tratar el agua. Combustibles alcohólicos: de la biomasa se pueden producir combustibles líquidos como etanol y metanol. El primero se produce por medio de la fermentación de azúcares y, el segundo por la destilación destructiva de madera. Esta tecnología se ha utilizado durante siglos para la producción de licores y, más recientemente, para generar sustitutos de combustibles fósiles para transporte, particularmente en Brasil. Estos combustibles se pueden utilizar en forma pura o mezclados con otros, para transporte o para la propulsión de máquinas. El metanol por su parte se perfila como la alternativa con mayores posibilidades de competir con los combustibles tradicionales (gasolina y gasóleo); en el mercado del automóvil. El metanol se puede producir de diversas fuentes como el gas natural, el carbón, la madera e incluso residuos orgánicos. Aparte de que contamina menos y es fácil de almacenar y distribuir como la gasolina, el metanol posee otra ventaja: no amenaza tan directo como otras energías alternas a la industria petrolífera, ya que se puede producir a partir de gas natural que resulta en la extracción de petróleo.313 Biodiesel: a diferencia del etanol, que es un alcohol, el biodiesel se compone de ácidos grasos y ésteres alcalinos, obtenidos de aceites vegetales, grasa animal y grasas recicladas. A partir de un proceso llamado “transesterificación”, los aceites derivados orgánicamente se combinan con alcohol (etanol o metanol) y se alteran químicamente para formar ésteres grasos como el etil o metilo éster. Estos pueden ser mezclados con diesel o usados directamente como combustibles en motores comunes. El biodiesel es utilizado, típicamente, como aditivo del diesel en proporción del 20%, aunque otras cantidades también sirven, dependiendo del costo del combustible base y de los beneficios esperados. Su gran ventaja es reducir considerablemente las emisiones, el humo negro y el olor. 313 REVISTA MENSUAL MUY INTERESANTE, año 17 numero 4, paginas de consulta 8, articulo. La Vieja Se Renueva. México, 2000. Página 315 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Gas de rellenos sanitarios: se puede producir un gas combustible de la fermentación de los desechos sólidos urbanos en los rellenos sanitarios. Este es una mezcla de metano y dióxido de carbono. La fermentación de los desechos y la producción de gas es un proceso natural y común en los rellenos sanitarios; sin embargo, generalmente este gas no es aprovechado. Además de producir energía, su exploración y utilización reduce la contaminación y el riesgo de explosiones en estos lugares y disminuye la cantidad de gases de efecto invernadero.314 FORMAS DE ENERGÍA Aplicando los diferentes procesos de conversión, la biomasa se puede transformar en diferentes formas de energía: Calor y vapor: es posible generar calor y vapor mediante la combustión de biomasa o biogás. El calor puede ser el producto principal para aplicaciones en calefacción y cocción, o puede ser un subproducto de la generación de electricidad en ciclos combinados de electricidad y vapor. Combustible gaseoso: el biogás producido en procesos de digestión anaeróbica o gasificación puede ser usado en motores de combustión interna para generación eléctrica, para calefacción y acondicionamiento en el sector doméstico, comercial e institucional y en vehículos modificados. Biocombustibles: la producción de biocombustibles como el etanol y el biodiesel tiene el potencial para reemplazar cantidades significativas de combustibles fósiles en muchas aplicaciones de transporte. El uso extensivo de etanol en Brasil ha demostrado, durante más de 20 años, que los biocombustibles son técnicamente factibles a gran escala. En los Estados Unidos y Europa su producción está incrementándose y se están comercializando mezclados con derivados del petróleo. Por ejemplo, la mezcla denominada E20, constituida 20% de etanol y 80% de petróleo, resulta aplicable en la mayoría de motores de ignición. Electricidad: la electricidad generada a partir de los recursos biomásicos puede ser comercializada como “energía verde”, pues no contribuye al efecto invernadero por estar libre de emisiones de dióxido de carbono (CO2). Este tipo de energía puede ofrecer nuevas opciones al mercado, ya que su estructura de costos permitirá a los usuarios soportar mayores niveles de inversión en tecnologías eficientes, lo cual incrementará la industria bioenergética. Co-generación (calor y electricidad): la co-generación se refiere a la producción simultánea de vapor y electricidad, la cual se aplicaría en muchos procesos industriales que requieren las dos formas de energía. En América Central este proceso es muy común en los ingenios de azúcar, los cuales aprovechan los desechos del proceso, principalmente el bagazo. Por la alta cantidad de bagazo disponible, tradicionalmente, la co-generación se realiza en una forma bastante ineficiente. Sin embargo, en los últimos años ha existido la tendencia a mejorar el proceso para generar más electricidad y vender el excedente a la red eléctrica. 314 MANUALES SOBRE ENERGIAS RENOVABLE: BIOMASA, Biomasa, Users Network (BUN-CA), pagina de consulta 20, 1a edición: -San José, Costa .Rica 200 Página 316 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 7.4 MICROHIDRAULICA, PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS (P.C.H.) CENTRALES HIDRAULICAS VS CENTRALES MICROHIDRAULICAS Mientras unos apoyan la energía hidráulica por ser limpia, otros la rechazan por el efecto negativo que produce sobre la naturaleza. Esto no sucede con la micro hidráulica, que aprovecha el agua sin estropear el cauce.315 Al igual que la energía hidráulica, la energía micro hidráulica tiene su origen en el "ciclo del agua" generado por el Sol, al evaporar las aguas de los mares y lagos. Esta agua cae en forma de lluvia y nieve sobre la tierra y vuelve hasta los lagos y el mar, donde el ciclo se reinicia. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial asociada a los saltos de agua y a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de un río. Las centrales hidroeléctricas transforman en energía eléctrica el movimiento de las turbinas que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a diferente altura a una gran velocidad con un gran caudal. CENTRALES HIDRAULICAS Actualmente la fuerza hidráulica se utiliza sobre todo para la producción de energía eléctrica. Desde hace casi un siglo y medio las represas y las centrales hidroeléctricas son parte del paisaje de nuestras montañas, contribuyendo a consolidar en nuestra mente la idea de que el hidroeléctrico es un recurso energético limpio, disponible y renovable. Hay básicamente dos tipos de centrales hidroeléctricas, éstas son: Las centrales de embalse y las centrales de pasada. Las centrales de embalse utilizan el agua acumulada en un lago que luego liberan para generar electricidad según la demanda que requieran. Las centrales de pasada en cambio, utilizan el agua que fluye por los ríos, que es captada en un punto, para luego liberarlas en otro donde se maximice la altura de caída para aprovechar mejor su potencial. Pero las instalaciones de grandes dimensiones con embalses para millones de metros cúbicos de agua, aunque utilicen una fuente de energía renovable, tienen también un impacto negativo sobre el medio ambiente. Pueden provocar trastornos en los ecosistemas preexistentes, modificando los flujos de los cursos de agua, dejando secos los ríos en largos tramos y por muchos meses al año, con graves daños para el patrimonio. Pueden modificar las capas acuíferas, empeorar la calidad de las aguas por el menor poder de dilución de los contaminantes y, a veces, pueden llegar a causar daños medioambientales irreversibles. CENTRALES MICRO-HIDRAULICAS Las consideraciones medio ambientales sobre las grandes instalaciones hidroeléctricas cambian radicalmente para las instalaciones hidroeléctricas de tamaño pequeño, por debajo de los 100 KW. de potencia. 315 REVISTA MENSUAL MUY INTERESANTE, año 17 numero 4, paginas de consulta 4-18, articulo. Nuevas energías para el siglo XXI. México, 2000. Página 317 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Los beneficios medioambientales derivados de las instalaciones micro-hidráulicas son considerables: pueden proporcionar energía eléctrica a zonas que de otra manera estarían aisladas o alcanzables solo con obras de mayor impacto medioambiental; permiten realizar una política de distribución sobre el territorio de la producción de energía eléctrica; utilizan el recurso agua de manera equilibrada y controlada por las comunidades interesadas; ayudan a reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles y además no producen emisiones de gases de efecto invernadero, ni otras sustancias contaminantes. Las instalaciones hidroeléctricas de pequeño tamaño representan por lo tanto una importante fuente energética renovable y pueden contribuir activamente al desarrollo sustentable del territorio en el que se implantan. Estas centrales en pequeña escala bien proporcionado y ubicado, resulta económicamente competitivo respecto a las otras fuentes energéticas renovables y, considerando los costos globales reales, también respecto a las fuentes energéticas tradicionales. Las instalaciones micro hidráulicas representan por lo tanto una forma de energía valiosa, porque con un impacto medioambiental muy bajo utilizan una fuente energética renovable, que de otra manera se perdería.316 VENTAJAS DE UNA CENTRAL MICRO – HIDRAULICA Y COMPONENTES BASICOS Los trámites que hay que llevar a cabo para instalar un micro central hidroeléctrica de potencia inferior a 20 Kw., son diferentes respecto a las centrales eléctricas mayores. Además del tamaño, debe tenerse en cuenta la función y la forma de trabajar de la central: aplicaciones por debajo de los 20 Kw. están más orientadas para usuarios stand-alone , esto es, sin conexión a la red; las de tamaño mayor en cambio se consideran centrales eléctricas, sujetas a imposición fiscal y generalmente unidas en red (grid connected), con la posibilidad de vender la energía sobrante del autoconsumo. Aunque consideremos que quien desea instalar una central de potencia inferior a los 20 Kw está movido más por razones de tipo medio ambiental o de ahorro energético que por intereses comerciales, es conveniente determinar la viabilidad del proyecto siguiendo los siguientes pasos: 1. Elección del lugar: disponibilidad de los terrenos, verificación de la propiedad, de los vínculos, etc. 2. Estudio de los parámetros útiles: caudal y salto disponible, cálculo de la potencia de la instalación. 316 PÁGINA DE INTERNET:http://espectadoruc.blogspot.com/2007/05/la-energia-microhidraulica.html Página 318 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 3. Análisis de las licencias necesarias, pidiendo información a los constructores o a los profesionales de la zona, por conocer la situación local. 4. Estudio de viabilidad de la central y verificación de los costos, para asegurarse que la instalación tenga una relación costes / beneficios adecuada a las expectativas. 5. Elección del proyectista y del constructor. 6. Gestión y mantenimiento de la instalación. Componentes Central Micro-Hidráulica. COMPONENTES 1. Grupo Turbina-Generador 2. Cuadro Eléctrico de Distribución 3. Utilizadores 4. Dispersión en el aire 5. Sistema Electrónico de Regulación de Carga Constante Resistiva Dispersión en el agua Fig. 7.24 Componentes de una central micro hidráulica con potencia menor a 20 kw.317 317 PAGINA DE INTERNET http://www.monografias.com/trabajos/energiasalter/energiasalter.shtml Página 319 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 7.5 OTRAS ENERGIAS 7.5 a ENERGIA EOLICA La energía producida por el viento, ha sido siempre por el hombre en forma secundaria, para la navegación y en 1a utilización local como los molinos de vientos. El viento es una fuente inagotable y no contaminante, pero es irregular y el sistema de almacenaje en baterías ha sido desarrollado, pero necesita mayor perfección. El viento es una manifestación indirecta de la energía del sol, el 0.7 % de esta relación es transmitida en energía cinética de los vientos. Hoy en día la energía eólica evita la introducción en la atmósfera de más de 3 millones de tonelada de C02, cada año y otros contaminantes. Actualmente la conexión de energía eólica, puede llegar a cubrir el 20 % de demanda eléctrica con parques eólicos en e1 año 2 .000 habiendo ahorrado 250 millones de toneladas de C02 y 3 millones de óxidos sulfurosos del efecto invernadero. Hoy nadie se atreve a dudar que la cinética de los vientos es una fuente de energía plenamente competitiva frente a las energías convencionales, como se ha demostrado con parques eólicos como los de California y Dinamarca, con potencias de 1,500 MW y 30 MW respectivamente, que han sido posibles gracias a la iniciativa privada y el aporte gubernamental. Si se quiere utilizar el viento para producir energía en una región cualquiera, es necesario que la velocidad media del mismo sea suficientemente alta. Para utilizar los convertidores de energía eólica, las condiciones son apropiadas si las velocidades son de 4 ó 5 metros sobre el nivel de superficie. Las mejores condiciones para la utilización de energía eólica son: Terrenos llanos, particulares en regiones costeras. Donde existen cumbres planas o colinas solitarias sin laderas escarpadas. Valles planos y extensos, expuestos en la dirección del viento predominante. El plan energético argentino: prevé una potencia instalada en nuestro país de 15.OOOMW. Si pensamos que un 5 % podría implementares con turbinas eólicas, esto representaría una instalación de 750 MW. Esta cantidad implica la demanda energética que podría confiarse a las centrales eólicas en el futuro, sobre todo considerando que el país posee elevados niveles de vientos medios. Para lograr el desarrollo de turbinas grandes para satisfacer este requerimiento, es lógico comenzar desarrollando turbinas menores, de 1O a 20 KW con un doble objetivo: Satisfacer las necesidades de pequeñas poblaciones alejadas de la red de distribución eléctrica. Página 320 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Concretar con pequeñas turbinas, los pasos de aprendizaje necesario para llegar progresivamente a la mayor potencia. 318 Una central eólica es una instalación donde la energía cinética del aire, al moverse, se puede transformar en energía mecánica de la rotación. Lo habitual hasta ahora, que es cuando empieza a aparecer nuevos tipos de aerogeneradores, es instalar una torre que suele medir entre 35 y 50 metros de altura en cuya parte superior existe un rotor con varias palas, orientadas en dirección al viento. Estas palas o aerogeneradores giran alrededor de un eje que actúa como un generador de electricidad. La energía eléctrica producida en los campos eólicos llega a unos acumuladores y de ahí pasa a las torres de alta tensión. Gracias a los últimos avances, las turbinas actuales logran generar más energía con menos viento. Fig. 7.25 Así funciona la energía eólica.319 Ahora mismo la eólica es de las más avanzadas y asequibles, comercialmente hablando. Es una fuente natural que suministra una energía limpia que no puede agotarse. En los lugares con fuertes vientos, como tarifa, España, ya es una energía totalmente competitiva. Este país se ha convertido en pocos años en la tercera potencia mundial en esta renovable, el mayor parque eólico del mundo se inauguró en 1999 en Albacete. 318 PÁGINA DE INTERNET: www.monografias.com/trabajos/energiasalter/energiasalter.shtml REVISTA MENSUAL MUY INTERESANTE, año 17 numero 4, paginas de consulta 10, articulo. La Respuesta Está En El Viento. México, 2000. 319 Página 321 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS A la hora de situar un parque eólico, el lugar de emplazamiento es fundamental, porque esta es una energía dispersa, intermitente y se presenta de forma irregular en cuanto a su intensidad. Por ejemplo, en lugares adecuados, un aerogenerador gira unas 6000 horas al año, lo que produce una energía equivalente a la que a plena potencia, se generaría en unas 2200 horas de funcionamiento. Es evidente, pues, que antes de ubicar un parque eólico se precisa realizar un estudio exhaustivo de las condiciones del viento. Fig. 7.26 Parques eólicos.320 7.5b ENERGIA SOLAR El sol es el origen de la energía solar y de las otras fuentes renovables de energía. Su potencial energético es variable, en función de la hora del día, época del año y situación atmosférica: día-noche, estación del año (altura del sol sobre el horizonte), nubes, nieblas, smog, calimas, etc. La tecnología actual que se utiliza para captar la energía solar directa y convertirla en una forma eficiente de energía se ha desarrollado en dos direcciones: 320 REVISTA MENSUAL MUY INTERESANTE, año 17 numero 4, paginas de consulta 11, articulo. La Respuesta Está En El Viento. México, 2000. Página 322 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 7.27 Clasificación de las tecnologías de aprovechamiento de la energía solar.321 Tecnología de conversión térmica, que absorbe la energía solar y la transforman en calor. Mediante esta tecnología es posible también obtener indirectamente electricidad mediante la transformación del calor con una máquina termodinámica. Tecnología de conversión eléctrica, que permite la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica. La energía térmica captada puede utilizarse de forma pasiva o activa. La energía solar pasiva se aprovecha mediante el acondicionamiento pasivo de los edificios siguiendo las pautas de la llamada arquitectura bioclimática. Es decir, diseñando los edificios (materiales y tipos de cerramientos, orientación del edificio y ventanales, colores, tipos de cubiertas, etc.) de manera que aprovechen óptimamente las condiciones ambientales del entorno, (entre las que se encuentran la energía solar disponible), para disminuir el consumo de energía convencional sin renunciar a los niveles de confort demandados. La tecnología utilizada en la captación de la energía solar térmica de forma activa se puede clasificar, en función del margen de temperatura que se requiera, en tecnologías de: • • • Baja temperatura (T<90ºC). Media temperatura (90ºC<T<400ºC) Alta temperatura (T>400ºC) 321 Material bibliográfico relacionado con el programa de Eficiencia Energética: http://comunidad.eduambiental.org/course/view.php?id=20 , Año 2008, País España, capitulo 19, 460 pp. Página 323 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS TECNOLOGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA La tecnología solar térmica de baja temperatura se suele destinar al calentamiento de agua, por debajo de su punto de ebullición, para uso como agua caliente sanitaria. Los subsistemas empleados en esta tecnología dependen del tipo de instalación, pero en general, pueden señalarse los siguientes: • • • • Sistema de captación. Sistema de acumulación. Sistema intercambiador. Sistema auxiliar. Sistema De Captación: Está constituido, generalmente, por los denominados colectores solares térmicos planos o paneles solares térmicos planos, pertenecientes al grupo denominado sin concentración, es decir, a aquellos que utilizan la energía solar con la misma intensidad con la que ésta incide, Estos representan alrededor del 90% de la producción de colectores. También se utilizan, aunque con menor frecuencia, los tubos de vacío. Los colectores planos captan la energía solar, transformándola en energía térmica e impidiendo su salida al exterior (efecto invernadero). Constan, de forma general, de: • • • • • Cubierta frontal transparente Placa captadora o superficie absorbente. Un circuito hidráulico por donde circula el fluido que ha de transferir el calor captado por la placa. Dispositivos de aislamiento térmico. Carcasa exterior protectora. Fig. 7.28 Partes del colector solar térmico.322 322 PAGINA DE INTERNENT http://www.solarte.es/files/personal_imgs/concentradores_solares.jpg Página 324 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Sistema De Acumulación: Está compuesto por tanques fabricados con acero tratado, tiene por finalidad almacenar el calor para suministrarlo en el momento en que sea solicitado. Sistema Intercambiador: Independiza el agua que circula por el captador, del agua de consumo. Sistema Auxiliar: Está compuesto por un conjunto de elementos y dispositivos tales como tuberías de conducción, válvulas, bombas, purgadores, energía auxiliar, etc., cuya función es suministrar el agua caliente solicitada. Las instalaciones cuya función es producir agua caliente sanitaria se pueden clasificar en: • • Instalaciones de circuito abierto. En estas instalaciones existe un único circuito de agua. Este utiliza como fluido el agua de la red, la cual se la hace pasar por el colector solar para calentarla y después se almacena a la espera de su uso. Por tanto, no requiere sistema intercambiador. Instalaciones de circuito cerrado. En este tipo de instalación existen dos circuitos interconectados por un subsistema intercambiador. El circuito primario, compuesto por el colector solar, cede el calor al circuito secundario, compuesto por el subsistema acumulador, en el intercambiador térmico. TECNOLOGÍA SOLAR TÉRMICA DE MEDIA TEMPERATURA La tecnología solar térmica de media temperatura suele tener dos aplicaciones diferentes: • • La producción de calor en procesos industriales. Por ejemplo, vapor a temperaturas superiores a lo 150ºC. La generación de electricidad mediante la conexión del fluido caliente (hasta 400ºC) utilizado por los colectores a un sistema convencional de producción de electricidad a partir de un ciclo térmico. Entre los sistemas empleados en esta tecnología pueden mencionarse los siguientes: • • • • Sistema de captación. Sistema intercambiador de tanques de aceite. Sistema de evaporación de gases. Sistema de aplicación. El sistema de captación de esta tecnología está constituido, generalmente, por los denominados colectores de concentración. Estos colectores concentran la radiación solar que recibe la superficie captadora en un elemento receptor de superficie muy reducida, siendo Página 325 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS capaces de proporcionar temperaturas de hasta 400ºC con buenos rendimientos. Con estos colectores se logra que la radiación solar caliente a media temperatura un fluido primario. Aunque el colector de concentración cilíndrico-parabólico es el más extendido hay que señalar que existe diversidad de tipos. Todos los modelos disponen de un sistema de seguimiento con el propósito de orientarlos en la mejor posición para captar eficazmente la radiación solar durante el transcurso del día. Fig. 7.29 Captador solar térmico de media temperatura.323 Sin embargo, a diferencia de los colectores empleados en la tecnología solar de baja temperatura, los colectores de concentración captan la radiación directa, pero desaprovechan la radiación solar difusa, por lo tanto, no resultan apropiados en zonas de cierta nubosidad. TECNOLOGÍA SOLAR TÉRMICA DE ALTA TEMPERATURA Suele destinar fundamentalmente a la generación de energía eléctrica. Entre los sistemas empleados en esta tecnología pueden mencionarse los siguientes: • • • • • Sistema de captación. Sistema intercambiador de tanques de aceite. Sistema de evaporación de gases. Sistema de transformación de la energía cinética de los gases en energía mecánica de rotación. Sistema de generación eléctrica, que es accionado por la turbina. El sistema de captación de esta tecnología debe conseguir factores de concentración de la radiación muy superiores a los logrados con los colectores típicamente empleados en la tecnología solar térmica de media temperatura, así como la reducción de las pérdidas por radiación y convención al exterior. Estos objetivos se intentan lograr utilizando concentradores de foco puntual. 323 PAGINA DE INTERNET http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/e/ed/EuroDishSBP_front.jpg Página 326 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Existe variedad de concentradores puntuales, sin embargo, son dos los más destacados, aunque aún se encuentran en fase experimental: • Discos parabólicos. Constituidos por espejos parabólicos de revolución en cuyo foco se ubica el receptor solar. Fig. 7.30 Captador de Disco Parabólico.324 • Centrales de torre. Consiste en una serie de espejos orientados, denominados helióstatos, que reflejan la radiación sobre una caldera situada en una torre central. Fig. 7.31 Centrales de torre.325 • Tecnología solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica se basa en la utilización de células solares o fotovoltaicas, fabricadas con materiales semiconductores cristalinos que, por efecto fotovoltaico, generan corriente eléctrica cuando sobre los mismos incide la radiación solar. El silicio es la base de la mayoría de los materiales más ampliamente utilizados en el mundo para la construcción de células solares. La corriente eléctrica generada a partir de la energía solar fotovoltaica tiene actualmente distintas aplicaciones. Por un lado se encuentran las aplicaciones más tradicionales, cuyo objetivo es proporcionar energía eléctrica a zonas aisladas con deficiencias en el abastecimiento eléctrico convencional (electrificación de viviendas, bombeos, sistemas de señalización vial, sistemas de comunicaciones, sistemas agroganaderos, etc.) 324 PAGINA DE INTERNET http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/taberna1.jpg Renewable Energy Resources: second edition, Twidell John W. & Weir Anthony, Año 2006, Taylor & Francis Group, País E.U., 173 pp. 325 Página 327 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Un segundo tipo de aplicación consiste en la inyección de energía eléctrica en las redes eléctricas. En un tercer bloque pueden incluirse aquellas aplicaciones específicas, las cuales abarcarían desde el suministro de energía a satélites artificiales hasta la alimentación de automóviles, relojes, radios o calculadoras de bolsillo. De forma general, pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes empleados en esta tecnología: Subsistema de captación. Subsistema de almacenamiento. Subsistema de regulación. Subsistema convertidor de corriente. El subsistema de captación está constituido por el panel fotovoltaico, el cual tiene como función convertir la radiación solar que incide sobre él en electricidad. El panel, cuya superficie más habitual se encuentra entre 0,5 m2 y 0,8 m2, está integrado por un conjunto de células fotovoltaicas que se conectan en serie y paralelo con el propósito de lograr, para una radiación dada, unos determinados niveles de tensión e intensidad eléctrica. Asimismo, la estructura del panel proporciona resistencia mecánica y estanqueidad a las células, facilita la evacuación del calor de las mismas, incrementando así su rendimiento, y favorece la optimización de la captación de la radiación solar. El subsistema de almacenamiento tiene como función almacenar la energía eléctrica generada que no está siendo utilizada por el consumidor, ya que al ser la radiación solar variable no podría garantizarse, en el caso de ausencia de este subsistema, el suministro de energía en todo momento. El sistema de almacenamiento está compuesto por baterías conectadas en serie o en paralelo. De los distintos tipos de baterías que pueden ser empleadas, las de plomo ácido son las que mejor se adaptan a este tipo de generación, de hecho más del 90% del mercado corresponde a este tipo de baterías. El subsistema de regulación tiene como función evitar que las baterías reciban más energía que la máxima que estás son capaces de almacenar y prevenir las sobrecargas que agotarían en exceso la carga de las misma. El subsistema convertidor de corriente es el encargado de adaptar la energía producida por el panel fotovoltaico o la almacenada en las baterías, que es de tipo continuo, al tipo de energía, continua o alterna, solicitada por las cargas. En el caso que la carga requiera consumir corriente alterna, el convertidor consiste en un inversor, el cual transforma la tensión e intensidad continua en tensión y corriente alterna. 7.5. c GEOTERMICA. Se debe al calor residual de la tierra; es decir se obtiene del calor interno de la tierra en forma de agua caliente y vapor. La geotermia es una importante fuente de energía. Caracteriza las zonas activas de la corteza terrestre y está ligada a una fuente de calor magmática, que se encuentra a varios kilómetros de profundidad en tierras volcánicas. Los geólogos han encontrado cámaras magmáticas, con Página 328 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS roca a varios cientos de grados centígrados. La producción de vapor a partir de los acuíferos, esta a temperaturas que oscilan entre 100 y 4.000 º C. Bajo la corteza terrestre, la capa superior del manto está compuesta por magma, roca líquida a muy altas temperaturas. En algunas zonas, los depósitos o corrientes de agua subterránea son calentados por el magma, hasta temperaturas a veces superiores a los 140 grados Celsius. Cuando el agua, o el vapor, emergen a la superficie a través de fisuras en la corteza, aparecen los géiseres, fumarolas y fuentes termales. En algunos lugares se dan otras condiciones especiales como son capas rocosas porosas y capas rocosas impermeables que atrapan agua y vapor de agua a altas temperaturas y presión y que impiden que éstos salgan a la superficie. Si se combinan estas condiciones se produce un yacimiento geotérmico. La geotermia es una fuente de energía renovable ligada a volcanes, géiseres, aguas termales y zonas tectónicas geológicamente recientes, es decir, con actividad en los últimos diez o veinte mil años en la corteza terrestre. “La actividad volcánica sirve como mecanismo de transporte de masa y energía desde las profundidades terrestres hasta la superficie”. Se relaciona con dos tipos de recursos explotables por el ser humano: la energía geotérmica y algunos tipos de yacimientos minerales, que son depósitos de origen magmático e hidrotermal. FUNDAMENTOS FISICOS. El aprovechamiento de la energía geotérmica es determinado por una serie de condiciones geológicas que establecen la existencia de yacimientos geotérmicos. Una vez que se dispone de pozos de explotación se extrae el fluido geotérmico que consiste en una combinación de vapor, agua y otros materiales. Éste se conduce hacia la planta geotérmica donde debe ser tratado. Primero pasa por un separador de donde sale el vapor y la salmuera y líquidos de condensación y arrastre, que es una combinación de agua y materiales. Esta última se envía a pozos de reinyección para que no se agote el yacimiento geotérmico. El vapor continúa hacia las turbinas que con su rotación mueve un generador que produce energía eléctrica. Después de la turbina el vapor es condensado y enfriado en torres y lagunas. Las perforaciones modernas en los sistemas geotérmicos alcanzan reservas de agua y de vapor, calentados por magma mucho más profundo, que se encuentran hasta los 3.000 metros bajo el nivel del mar. El vapor se purifica en la boca del pozo antes de ser transportado en tubos grandes y aislados hasta las turbinas. La energía térmica puede obtenerse también a partir de géiseres y de grietas. En algunas zonas de la Tierra, las rocas del subsuelo se encuentran a temperaturas elevadas. La energía almacenada en estas rocas se conoce como energía geotérmica. Para poder extraer esta energía es necesaria la presencia de yacimientos de agua cerca de estas zonas calientes. La explotación de esta fuente de energía se realiza perforando el suelo y extrayendo el agua caliente. Si su temperatura es suficientemente alta, el agua saldrá en forma de vapor y se podrá aprovechar para accionar una turbina. Podemos encontrar básicamente cuatro tipos de campos geotérmicos dependiendo de la temperatura: Página 329 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Energía geotérmica de alta temperatura. Energía geotérmica de media temperatura. Energía geotérmica de baja temperatura. Energía geotérmica de muy baja temperatura. La energía geotérmica de alta temperatura existe en las zonas activas de la corteza terrestre (zonas volcánicas, límites de placas litosféricas, dorsales oceánicas). A partir de acuíferos cuya temperatura está comprendida entre 150 y 400 ºC, se produce vapor en la superficie que enviando a las turbinas, genera electricidad. Se requieren varios parámetros para que exista un campo geotérmico: un techo compuesto de un cobertura de rocas impermeables; un deposito, o acuífero, de permeabilidad elevada, ente 300 y 2000 m de profundidad; rocas fracturadas que permitan una circulación convectiva de fluidos, y por lo tanto la trasferencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático (entre 3 y 10 km de profundidad a 500600 ºC). La explotación de un campo de estas características se hace por medio de perforaciones según técnicas casi idénticas a las de la extracción del petróleo. La energía geotérmica de temperaturas medias es aquella en que los fluidos de los acuíferos están a temperaturas menos elevadas (70-150 ºC). Por consiguiente, la conversión vaporelectricidad se realiza a un menor rendimiento, y debe utilizarse como intermediario un fluido volátil. Pequeñas centrales eléctricas pueden explotar estos recursos. La energía geotérmica de baja temperatura es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a temperaturas de 60 a 80 C. Se utiliza para la calefacción de las viviendas, principalmente en Islandia y en Francia. CAMPO GEOTÉRMICO DE BAJA TEMPERATURA La energía geotérmica de muy baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre 20 y 60 ºC. Esta energía se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o agrícolas (calentamiento de invernaderos, como se utiliza en Hungría). La frontera entre energía geotérmica de alta temperatura y la energía geotérmica de baja temperatura es un poco arbitraria; es la temperatura por debajo de la cual no es posible ya producir electricidad con un rendimiento aceptable (120 a 180 ºC). PROBLEMAS EN SU APROVECHAMIENTO ENERGETICO Los usos serían calefacción, agua caliente sanitaria e invernaderos, no contemplándose la producción de electricidad. Actualmente, una profundidad de perforación de 3.000 metros constituye el máximo económicamente viable; otra de las limitaciones de la geotermia es que las aplicaciones de ésta, electricidad o calor para calefacciones e invernaderos, deben encontrarse en las proximidades del yacimiento en explotación. La geotermia puede llegar a causar algún deterioro al ambiente, aunque la reinyección del agua empleada en la generación de electricidad minimiza los posibles riesgos. Página 330 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS MECANISMOS QUE SE UTILIZAN EN SU APROVECHAMIENTO Una central geotérmica consta de una circuito cerrado de agua que al entrar en contacto con las capas permeables situadas cerca de los fluidos magmáticos de la tierra aumenta de temperatura el agua sube por el circuito hasta salir a la superficie donde entra un contacto con otro circuito (también de agua) al que calienta y con el que a la vez se enfría. El agua fría vuelve a bajar hasta cerrar el círculo. El agua del otro circuito se evapora y va a parar a una turbina que al moverse genera una energía mecánica que un alternador transforma en eléctrica. Con una torre de refrigeración se condensa el vapor y así se cierra el otro círculo. El agua geotérmica utilizada es posteriormente devuelta a inyección al pozo hacia la reserva para ser recalentada, para mantener la presión y para sustentar la reserva. TIPOS Se utilizan diferentes ciclos de transformación de la energía geotérmica en eléctrica, en función del tipo de fluido que se obtiene en el yacimiento, que puede ser de tres tipos de centrales geotérmicas. El tipo que se construya depende de lastemperaturas y de las presiones de la reserva. Una reserva de vapor "seco" produce vapor pero muy poca agua. El vapor es entubado directamente en una central de vapor "seco" que proporciona la fuerza para girar el generador de turbina. El campo de vapor seco más grande del mundo es The Geysers, unas 90 millas al norte de San Francisco. Una reserva geotérmica que produce mayoritariamente agua caliente es llamada "reserva de agua caliente" y es utilizada en una central "flash". El agua que esté entre 130 y 330ºC es traída a la superficie a través del pozo de producción donde, a través de la presión de la reserva profunda, algo del agua se convierte inmediatamente en vapor en un "separador". El vapor luego mueve las turbinas. Una reserva con temperaturas entre 110 y 160ºC no tiene suficiente calor para producir rápidamente suficiente vapor pero puede ser utilizada para producir electricidad en una central "binaria". En un sistema binario el agua geotérmica pasa a través de un intercambiador de calor, donde el calor es transferido a una segundo líquido que hierve a temperaturas más bajas que el agua. Cuando es calentado, el líquido binario se convierte en vapor, que como el vapor de agua, se expande a través y mueve las hélices de la turbina. El vapor es luego recondensado y convertido en líquido y utilizado repetidamente. En este ciclo cerrado, no hay emisiones al aire. Lo que determinara un tratamiento diferente antes de ser introducido en la turbina que acciona el alternador. Hay también centrales de condensación en que el vapor al salir de la turbina se condensa y se puede reutilizar, y las centrales sin condensación en que el vapor sale directamente a la atmósfera. También hay centrales que utilizan yacimientos de baja energía. El agua caliente se utiliza para vaporizar en un intercambiador un líquido de bajo punto de ebullición (freón), que es el que acciona el grupo turboalternador 7.5 d ENERGIA NUCLEAR La energía nuclear es aquella que resulta del aprovechamiento de la capacidad que tienen algunos isótopos de ciertos elementos químicos para experimentar reacciones nucleares y Página 331 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS emitir energía en la transformación. Una reacción nuclear consiste en la modificación de la composición del núcleo atómico de un elemento, que muta y pasa a ser otro elemento como consecuencia del proceso. Este proceso se da espontáneamente entre algunos elementos y en ocasiones puede provocarse mediante técnicas como el bombardeo neutrónico Existen dos formas de aprovechar la energía nuclear para convertirla en calor: la fisión nuclear, en la que un núcleo atómico se subdivide en dos o más grupos de partículas, y la fusión nuclear, en la que al menos dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro diferente.326 ENERGÍA DE FISIÓN En este proceso el núcleo del átomo de uranio (U-235) es bombardeado por neutrones y se rompe originándose dos átomos de un tamaño aproximadamente mitad del de uranio y liberándose dos o tres neutrones que inciden sobre átomos de U-235 vecinos, que vuelven a romperse, originándose una reacción en cadena. La fisión controlada del U-235 libera una gran cantidad de energía que se usa en la planta nuclear para convertir agua en vapor. Con este vapor se mueve una turbina que genera electricidad. El mineral de uranio se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas. Es por tanto un recurso no renovable. Suele hallarse casi siempre junto a rocas sedimentarias. Hay depósitos importantes de este mineral en Norteamérica (27,4% de las reservas mundiales), África (33%) y Australia (22,5%). El mineral del uranio contiene tres isótopos: U-238 (9928%), U-235 (0,71%) y U-234 (menos que el 0,01%). Dado que el U-235 se encuentra en una pequeña proporción, el mineral debe ser enriquecido (purificado y refinado), hasta aumentar la concentración de U-235 a un 3%, haciéndolo así útil para la reacción.327 El uranio que se va a usar en el reactor se prepara en pequeñas pastillas de dióxido de uranio de unos milímetros, cada una de las cuales contiene la energía equivalente a una tonelada de carbón. Estas pastillas se ponen en varillas, de unos 4 metros de largo, que se reúnen en grupos de unas 50 a 200 varillas. Un reactor nuclear típico puede contener unas 250 de estas agrupaciones de varillas La fisión nuclear del uranio es la principal aplicación práctica civil de Energía Nuclear, y se emplea en cientos de centrales nucleares en todo el mundo, en países como Francia, Japón, Estados Unidos, Alemania, Argentina, Brasil, Suecia, España, China, Rusia, Corea del Norte, México, Pakistán o India. Tiene como principal ventaja que no usa combustibles fósiles, con lo que no emite a la atmósfera gases tóxicos o de efecto invernadero. Esto es importante en el momento actual debido al Protocolo de Kyoto que obliga a pagar una tasa por cada tonelada de CO2 emitido, estrategia seguida para evitar el calentamiento global. Sin embargo, las emisiones contaminantes indirectas derivadas de la construcción de una central nuclear, de la fabricación del combustible y de la gestión posterior de los residuos radiactivos no son despreciables. 326 327 PÁGINA DE INTERNET: www.fideliranzo.com/nuevasenergias/nuclear.htm PÁGINA DE INTERNET: www.tecnun.es/Asignaturas/ecologia/Hipertexto/07Energ/130EnNuclear.htm Página 332 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS ENERGÍA DE FUSIÓN Cuando dos núcleos atómicos (por ejemplo de hidrógeno) se unen para formar uno mayor (por ejemplo helio) se produce una reacción nuclear de fusión. Este tipo de reacciones son las que se están produciendo en el sol y en el resto de las estrellas, emitiendo gigantescas cantidades de energía. Muchas personas que apoyan la energía nuclear ven en este proceso la solución al problema de la energía, pues el combustible que requiere es el hidrógeno, que es muy abundante. Además es un proceso que, en principio, produce muy escasa contaminación radiactiva. La principal dificultad es que estas reacciones son muy difíciles de controlar porque se necesitan temperaturas de decenas de millones de grados centígrados para inducir la fusión y todavía, a pesar de que se está investigando con mucho interés, no hay reactores de fusión trabajando en ningún sitio. El empleo pacífico o civil de la energía de fusión está en fase experimental, existiendo dudas sobre su viabilidad técnica y económica. La fusión es otra de las energías nucleares posibles, siendo estudiada en estos momentos la viabilidad de su aplicación en centrales de producción eléctrica como el ITER, el NIF u otras. Esta posibilidad promete ser la opción más eficiente y limpia de las conocidas por el hombre para generar electricidad. Sin embargo aun faltan varios años para poder ser utilizadas. El principio en el que se basa es juntar suficientes núcleos de deuterio y tritio mediante presión o calor hasta lograr un estado llamado plasma. En dicho estado, los átomos se disgregan y los núcleos de hidrógeno pueden chocar y fusionarse obteniendo helio. La diferencia energética entre dos núcleos de deuterio y uno de helio se emite en forma de energía que servirá para mantener el estado de plasma y para la obtención de energía. CENTRAL NUCLEAR Una central nuclear tiene cuatro partes: El reactor en el que se produce la fisión 1. El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir agua 2. La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor 3. El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida. La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad. En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293ºC. Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una Página 333 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica. Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento, o por otros procedimientos. Fig. 7.32 Esquema del funcionamiento de una central nuclear.328 Fig. 7.33 Central nuclear.329 328 329 PÁGINA DE INTERNET: www.tecnun.es/Asignaturas/ecologia/Hipertexto/07Energ/130EnNuclear.htm PÁGINA DE INTERNET: http://img300.imageshack.us/img300/5636/26490240nx5.jpg Página 334 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD VIII SELECCIÓN DE BOMBAS Página 335 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD VIII SELECCIÓN DE BOMBAS 8.1 ESTUDIOS BÁSICOS De acuerdo con los costos de operación y mantenimiento de la Planta de Bombeo, costos de suministro e instalación de la Línea de Conducción y en función de la capacidad de la misma, de acuerdo con el cálculo de los volúmenes requeridos para riego en los diferentes meses del año, así como tomando en cuenta las ventajas y desventajas, se concluye seleccionar una Planta de Bombeo con 6 equipos para 140 l.p.s., cada uno (2,219 g.p.m.), para totalizar una capacidad de Planta de Bombeo de 840 l.p.s., de acuerdo con el coeficiente unitario de riego seleccionado de 0.7 l/s/ha., equipados con motores eléctricos verticales, trifásicos, capaces de vencer la carga dinámica total requerida, con la utilización de una línea de conducción de acero al carbón designación ASTM-A-53 GR B, de 3,010 m de longitud aproximada, habiéndose considerado como optimo la localización de la planta en el km. 31+505. Derivado de la observación de cumplir con el análisis de ubicación de dos sitios posibles para la localización de la Planta de Bombeo, durante recorrido de campo efectuado a la zona del proyecto, se pudo observar que el otro sitio probable seria, en el km. 31+505, del Canal Principal Margen Derecha, en donde de acuerdo con la planeación de gabinete, la longitud de la Línea de Conducción, disminuye a 3,010 m. aproximadamente, sin embargo, es importante aclarar que en este sitio la capacidad del canal se reduce de 6.25 m3/s., que se tiene en el km. 28+417 (primer sitio seleccionado) a 5.29 m3/s., teniéndose una reducción de 0.96 m3/s., por lo que se requiere considerar una sobreelevación del tramo de canal, en una longitud de 2.8 km., en las terracerías del canal principal, del orden de 0.50 m, ACTIVIDADES PRELIMINARES Datos históricos. Fecha de fundación, nombre o nombres de fundadores, razón de la fundación, significado del nombre de la población, acontecimientos históricos importantes. Categoría política. Se refiere a que si la población es capital del estado, cabecera de municipio, parte del municipio, villa, delegación, ranchería, etc. Y el estado al que pertenece. Posición geográfica. Se refiere a las coordenadas geográficas, es decir longitud, y latitud, así como su altitud con respecto al nivel del mar. Ubicación. En qué región del estado de la república se encuentra, en que kilometraje de una ruta, o que desviación existe para llegar y por qué medios. Página 336 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ESTUDIO SOCIOECONÓMICO Se refiere al tipo de población, de calles, de casas, costumbres generales de los habitantes, servicios de que disponen, como son: agua potable, alcantarillados, energía eléctrica, teléfonos, correos, centros de higiene y salud, hospitales y sanatorios, mercados, rastros, templos, cines, teatros, panteones, datos censales; debe observarse también el modo de vestir, los alimentos básicos, población que trabaja, numero de analfabetas, fuentes de trabajo, locales y regionales , materias primas o productos elaborados de la localidad, salario mínimo y otros que den idea de la vida social y económica. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD Nos determina la posibilidad de realización de la obra en función de la capacidad de endeudamiento de la población. 8.2 ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS Geohidrológicos. Se refiere a la localización de fuentes de abastecimiento, superficiales y subterráneas, según lo indiquen los estudios hidrológicos o geológicos; según su procedencia, se puede prever la cantidad y calidad, forma de prever la contaminación, época en que se dispone de mayor o menor cantidad de agua, forma y manera de disponer de esas fuentes y todo lo que la hidrología y geología pueda darnos respecto a la disponibilidad de agua para la localidad. Topográficos. Se hará un reconocimiento de la o las zonas, de las posibles líneas de conducción, de sitios probables de emplazamiento de la planta potabilizadora o caseta de cloración, así como del o los tanques de regularización o de almacenamiento, de la o las líneas de alimentación, y de la población, después de estos reconocimientos, se harán los levantamientos topográficos con sus respectivo perfil en los casos necesarios de los sitios mencionados. En el levantamiento topográfico de la población se tomaran en cada crucero las elevaciones del terreno. Estos estudios o levantamientos, deben partir de “bancos de Nivel” referidos al nivel medio del mar. En ahorro de tiempo se pueden utilizar los bancos localizados por los ferrocarriles o por caminos, por la SARH o por otras dependencias estatales o privadas. Climatológicos. Estos estudios se refieren naturalmente al tipo de clima, recurriendo a los registros de temperatura, poniendo atención a las máximas mínimas y medias, se refiere también a la dirección de los vientos dominantes, a los periodos de lluvias e intensidad de estas. Tomas de muestras de agua y aforos. Se refiere a tomar con recipientes adecuados, con especiales precauciones sanitarias y a profundidades convenientes, las muestras Página 337 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS representativas de las fuentes. Estas muestras servirán para análisis de laboratorio. Se aforara la fuente para determinar el gasto que aportan. De esta manera sabremos la cantidad y posteriormente la calidad del agua de la fuente que se trate. Clasificación de suelos. Esta actividad nos indica el tipo de suelos que se va a excavar, si es tierra (material clase A), roca suelta (Clase B) roca fija (Clase C). Características de la energía eléctrica y punto de toma de corriente. Esta actividad se desarrolla con el fin de conocer el voltaje, frecuencia, ciclo, etc., para determinar el tipo de instalaciones eléctricas posteriores y necesarias en el sistema. El punto de toma de corriente es necesario para saber en donde se conectara la línea que alimentara de energía eléctrica a las partes del sistema que lo requieran. 8.3 SELECCIÓN DE TUBERIA Y ACCESORIOS Cuando la fuente de abastecimiento se encuentra a un nivel inferior al depósito o a la población, el agua captada se impulsa por bombeo. Cuando se llega a este caso, se elige el diámetro adecuado mediante un análisis económico en el que se eligen 3 o 4 diámetros posibles, seleccionando el arroje el menor costo anual de operación. Este costo está integrado por dos componentes: el costo anual de mano de obra incluida la adquisición de la tubería y el costo anual del consumo de energía eléctrica. Un Ejemplo de este análisis se presenta más adelante. El espesor de las paredes de los tubos depende en este caso no solamente de la calidad del agua, de las características del terreno y de la presión sino también de la sobrepresión producida por el “golpe de ariete”. Además de los accesorios mencionados anteriormente (excepto cajas rompedoras de presión), para protección del equipo de bombeo y de la tubería de conducción contra los efectos del golpe de ariete, se recurre a válvulas aliviadoras de presión, torres de oscilación, chimeneas de equilibrio, cámaras neumáticas. En términos generales puede decirse que la localización de una línea de conducción debe ajustarse a los siguientes lineamientos: 1. Evitar en lo posible las deflexiones tanto en planta como en perfil. 2. Seguir la línea que evite la necesidad de construir puentes, túneles, tajos, puentescanales, etcétera. 3. Tratar de que la línea se pegue al máximo a la línea de piezométrica para hacer que la tubería trabaje con las menores cargas posibles, sin que esto quiera decir que se tenga que seguir una pendiente determinada que obligaría a desarrollar el trazo de la línea. 4. Si existe una altura entre la fuente de abastecimiento y el tanque, o la población, se es bombeo directo, debe llevarse la línea a esta altura para bajar de allí por gravedad la tubería y tener el menor tramo posible por bombeo, o para trabajar a menor presión si continúa por bombeo. Página 338 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS EJEMPLO DE DETERMINACIÓN DE TUBERÍA POR BOMBEO Considerando una velocidad promedio entre 1.5 y 2.5 m/s. recomendada por el Instituto de Hidráulica, tenemos: De la ecuación de continuidad. Q=VxA Donde: Q = Gasto V = Velocidad del fluido A = Área transversal de la tubería. Sustituyendo datos para V = 1.5 m/seg. Q A V A d 0.140 m 3 / seg A 1.5 m / seg (d ) 2 despejando el diametro : 4 4xA d 0.3446 m A 0.0933m 2 d 4 x 0.0933 m d 355.6 mm (14" ) Por lo anterior, la tubería de 355.6 mm. (14”) Φ es la tubería comercial correspondiente para las columnas de bombeo y tuberías de descarga. Para los equipos de bombeo lubricación, aceite, tipo vertical, para un gasto de 140 l.p.s. se propone tubería de columna bridada, de 14” de Φ de columna x 3” de Φ de cubreflecha x 1 15/16” de flecha de transmisión, de acuerdo con los datos técnicos de los fabricantes de bomba (ver anexos) El área efectiva de flujo en la columna de la bomba será; considerando que la tubería de cubreflecha de 3” Φ mide exteriormente, 3.5” Φ, por lo que; así como cedula 20 para la columna. Página 339 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS AEFECTIVA (0.340) 2 4 (0.089) 2 4 AEFECTIVA 0.0908 m 2 0.0062 m 2 AEFECTIVA 0.0846 m 2 Recalculando la velocidad tenemos: A Q V V 1.65 m / seg V 0.140 m 3 / seg 0.0846 m / seg V 1.65 m / seg La cual se considera aceptable La carga de velocidad será: hVEL . V2 ; 2g hVEL . sustituyen do datos : (1.65 m / seg ) 2 2 x 9.81 m / seg 2 hVEL 0.138 m.c.a. 8.3.1 POTENCIA POR GASTO DE UNIDAD Potencia para la C.D.T. = 59.0 m.c.a. ; Eficiencia de la bomba η = 84% Eficiencia del motor η = 95% BHP Q( L.P.S .) xC.D.T .(m.c.a.) 76 x0.84 x0.95 Página 340 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Sustituyendo valores: BHP 140( L.P.S .) x59.0m 76 x0.79 BHP = 137.6 H.P. BHP = 137.6 H.P., requeridos por la bomba. El motor comercial será de 150 H.P. F.S. 1.0 Por lo anterior observamos que se utilizarían motores eléctricos de 150 H.P., 440 volts, 60 Hz, con factor de servicio (F.S.) = 1.0, a 1800 RPM. 8.3.2 PREDIMENSIONAMIENTO DEL CÁRCAMO DE BOMBEO Un buen diseño hidráulico de un cárcamo de bombeo de grandes dimensiones consiste en determinar el tamaño adecuado de un gran número de variables mismas que generen un funcionamiento hidráulico adecuado en el cárcamo al interactuar con las variables hidráulicas del diseño de que se trate. Tales variables geométricas son: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) Ancho del cárcamo Largo del cárcamo Sumergencia mínima Sumergencia máxima Distancia de separación entre la campana de succión y el fondo del cárcamo Distancia entre el eje de la campana y la pared posterior del cárcamo Distancia de separación entre la malla y el eje de la columna de succión Tamaño de la malla giratoria Diámetro de la columna y campana de succión Rejillas Pilas encauzadoras Página 341 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 8.1 Variables hidráulicas de un cárcamo de bombeo 330 . Las variables hidráulicas del diseño de un cárcamo de bombeo son: 1) 2) 3) 4) 5) Gasto de operación normal de las bombas Gasto máximo de bombas principales o de enfriamiento Gasto de operación de bombas auxiliares Nivel de operación mínimo Nivel de operación máximo Así el diseño preliminar consiste en proponer dimensiones a las variables antes citas de acuerdo al gasto por manejar, considerándose también en algunos casos los niveles de operación por lo que es necesario auxiliarse de recomendaciones y ayudas de diseño como: “Diseño hidráulico de cárcamo de bombeo y obras de toma” publicada por la asociación británica de investigaciones hidrodinámicas o las del Estándar del Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos de América. En la actualidad se considera a las primeras como las guías de diseño hidráulico de cárcamo de bombeo de grandes dimensiones más completas, el ingeniero diseñador se puede basar también en experiencias de otras obras similares teóricamente o por razonamiento. Posteriormente abra que probar dicho diseño propuesto y en su caso corregir y utilizarlo en forma experimental a través de un modelo hidráulico reducido del cual saldrá el diseño definitivo. 330 Ing. Octavio Velazco Sánchez; 1974; PROYECTOS DE PLANTAS DE BOMBEO, Secretaria de Recursos Hidráulicas; México; Pag. 30, 35, 37, 39, 45. Página 342 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Unos de los problemas más comunes de los cárcamos de bombeo, es la formación de vórtices. Esto se puede generar por una o más fuentes de vorticidad, por ejemplo: a) Aproximación no uniforme del flujo al cárcamo debido a la orientación del cárcamo con respecto al canal del acceso o la dirección del flujo generado por obstrucción tales como pilas, etc. b) Existencia de grande gradientes de velocidad, incluyendo los inducidos por muros divisorios que provocan la rotación de flujo. Los vórtices pueden llevar aire de la superficie libre hacia la bomba, ocasionando que el impulsor trabaje de manera diferente a como fue diseñado con lo que se reduce el gasto de bombeo. La rotación que se genera al flujo que entra a la bomba cambia el ángulo de ataque respecto al diseño del impulsor y puede afectar la eficiencia de las bombas y causar cavitación. Cuando el agua contiene el 1% de aire, se puede reducir la eficiencia de la bomba hasta en un 15%. Los cárcamos de bombeo deben poseer dimensiones mínimas necesarias para facilitar el asentamiento de las piezas, permitir el acceso y evitar grandes velocidades y agitación del agua (formación de vórtices nocivos). La velocidad del agua a la entrada del tubo de aspiración debe ser inferior a 0.90 m/s, la profundidad útil en el cárcamo de bombeo, es decir, la altura del agua entre el nivel mínimo y la unión de la rejilla o la boca de entrada a la tubería, debe ser conforme a los límites siguientes: a) Condición hidráulica b) Ancho de campana Ancho = 1.5D Donde: h= altura de succión (m) D = diámetro de la tubería de succión (m) Para el dimensionamiento del Cárcamo de Bombeo, tomaremos en cuenta la tabla de dimensiones del cárcamo con relación al flujo del estándar del instituto de hidráulica considerando los parámetros definidos para los Equipos de Bombeo. Q = Gasto para cada Bomba = 140 L.P.S. (2,219 g.p.m.) Número de Equipos = 6 Equipos. Página 343 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS A continuación se anexan las figuras de los arreglos de equipos de bombeo recomendados por el Instituto de Hidráulica para Bombas Verticales, así como las figuras que nos indican el dimensionamiento para cárcamos de Bombeo y Estaciones de Bombeo. Fig. 8.2 Dimensiones del cárcamo con relación al flujo 331 . 331 Ing. Octavio Velazco Sánchez; 1974; PROYECTOS DE PLANTAS DE BOMBEO, Secretaria de Recursos Hidráulicas; México; Pag. 30, 35, 37, 39, 45. Página 344 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Para el dimensionamiento del cárcamo consideramos las siguientes acotaciones: W = 150 cm. (Considerando el ancho del muro) W/2 = 60 cm. (Del centro de la bomba al muro de la mampara) B = 40 cm. a = 15° Y = 300 cm. C = 20 cm. (del colador de la bomba al piso) S = 90 cm. (sumergencia recomendada) (transición en canal de llamada) De lo anterior y considerando el No. de equipos de bombeo, se requiere un cárcamo de 4.0 m. de ancho interiormente y una longitud total de 8.70 m., considerando mamparas divisoras entre equipos de bombeo, tal como se muestra en el plano general mecánico de la planta de bombeo. Página 345 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fi g. 8.3 Diferentes arreglos del cárcamo para varias bomba332. 332 Ing. Octavio Velazco Sánchez; 1974; PROYECTOS DE PLANTAS DE BOMBEO, Secretaria de Recursos Hidráulicas; México; Pag. 30, 35, 37, 39, 45. Página 346 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 8.4 Corrección a cárcamos existentes333. 333 Ing. Octavio Velazco Sánchez; 1974; PROYECTOS DE PLANTAS DE BOMBEO, Secretaria de Recursos Hidráulicas; México; Pag. 30, 35, 37, 39, 45. Página 347 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 8.5 Recomendaciones de diseño de cárcamos de bombeo y canal de llamada334. 334 Ing. Octavio Velazco Sánchez; 1974; PROYECTOS DE PLANTAS DE BOMBEO, Secretaria de Recursos Hidráulicas; México; Pag. 30, 35, 37, 39, 45. Página 348 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 349 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD IX SELECCIÓN DE TURBINAS Página 349 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS UNIDAD IX SELECCIÓN DE TURBINAS 9.1 ESTUDIOS BÁSICOS PROYECTO HIDROELÉCTRICO EL CAJÓN Es necesario hacer referencia a los conceptos hidrológicos fundamentales para el diseño de vasos y al tránsito de avenidas en cauces, los cuales, aunque relativamente, son de gran importancia en hidrología, pues en gran parte constituyen las bases sobre las que se sustenta el dimensionamiento de las presas y obras de aprovechamiento y protección contra inundaciones. La utilización de la energía hidráulica, esto es, el aprovechamiento de las caídas de agua en los ríos, data de la época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica para bombear agua, llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. Sin embargo, la descripción detallada de la rueda hidráulica, así como sus aplicaciones se debe al ingeniero y arquitecto romano Marco Vitrubio Polión, quien la describe ampliamente en su libro De architectura. Tanto la rueda hidráulica vertical como la horizontal se usaron en la Edad Media y el Renacimiento, no sólo en la agricultura, sino en las minas, en la industria textil y maderera y en el transporte. Entre 1835 y 1837 se instaló la primera turbina hidráulica, construida por el ingeniero Benoit Fourneyron. La palabra turbina la inventó el ingeniero francés Claude Burdin. En el año de 1881 se construyó en Godalming, Inglaterra, la primera planta hidroeléctrica y la producción de energía eléctrica a gran escala empezó en 1895, cuando se construyó la presa de 3.75 MW (mega watts) en las cataratas del Niágara. Para convertir la energía hidráulica en electricidad, generalmente se construyen varias plantas hidroeléctricas a lo largo de un río. En el presente trabajo se describirá sobre el complejo más grande construido en México, siendo una presa de enrocamiento con cara de concreto, Presa Hidroeléctrica “El Cajón” Página 350 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig 9.1 Vista del Sitio de Proyecto335 9.2 ESTUDIOS TOPO-HIDROLÓGICOS Los estudios de campo que se realizaron para la elaboración del proyecto son: topográfico, geológico, geotécnico, social, económico y ambiental del área; obteniendo así los datos necesarios para poder diseñar la presa y todas las partes que la conforman. Su embalse contribuye a regular los escurrimientos de su cuenca y beneficia a la Central Aguamilpa, ubicada aguas abajo sobre el río Santiago, perteneciente al Estado de Nayarit; ya que al recibir su vaso las aportaciones reguladas del río, incrementa su generación firme y se reducen las probabilidades de derrama por el vertedor. El aprovechamiento permite la generación de energía eléctrica mediante dos turbinas de 375 MW cada una, por lo que se tiene prevista una generación media anual de 1 228,64 GWh. UBICACIÓN Se encuentra a 47 km en línea recta de la ciudad de Tepic, en dirección sureste. En el Estado de Nayarit al oriente de la Ciudad de Tepic en los municipios de La Yesca y Santa María del Oro, en terrenos comunales del poblado Cantiles, sobre el río Santiago a 60 km aguas arriba de la C.H. Aguamilpa; sus coordenadas geográficas son 21° 25' 41" de latitud norte y 104° 27' 14" de longitud oeste. 335 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 351 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 9.2 Plano de Localización336 $ Fig. 9.3 Planta General, P.H.C. 337 336 http://www.cfe.com.mx/elcajon/es 337 http://www.cfe.com.mx/elcajon/es Página 352 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ESQUEMA GENERAL Camino de acceso de 42 Km de longitud y dos líneas de dos circuitos de 400 KV, con una longitud aproximada de 18 Km Cortina de enrocamiento con cara de concreto Desvío mediante dos túneles de sección portal y dos ataguías de materiales graduados Seis vanos de excedencias de compuertas radiales Obras de generación con casa de maquinas subterráneas que alojara dos tubos generadores con potencia instalada total de 750 MW a la salida del generador Obras de infraestructura, desarrollo social y protección ambiental INFORMACIÓN TÉCNICA DEL P.H.C. Tabla 9.1 Datos Meteorológicos 338 Temperatura máxima/mínima Temperatura de diseño máxima/mínima Temperatura de bulbo seco promedio Temperatura de bulbo húmedo promedio Humedad relativa verano/invierno Humedad relativa promedio Aceleración horizontal máxima del terreno Presión barométrica Velocidad del viento Temperatura promedio del agua Temperatura mínima del agua Zona climática/Ambiente 46/ 6,5 °C 46/ 6,5 °C 37,0 °C 25,2 °C 36,4/48,6 % 38% 0,2g Gals 98 kPa 110 km/h 27,18 °C 23,83 °C Cálida subhúmeda/Rural Tabla 9.2 Estudios Hidrológicos 339 Área de la cuenca 54 198,00 km² Escurrimiento medio anual 3 326 hm³ Avenida máxima registrada 7 029,00 m³/s 338 http://cfe.com.mx/elcajon/es 339 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 353 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Gasto medio anual Gasto medio aprovechable Periodo de registro 105,48 m³/s 100,40 m³/s 51 años Tabla 9.3 Obra de Generación 340 Factor de planta Energía firme Energía secundaria Generación media anual Incremento de energía firme en Aguamilpa atribuible al PH El Cajón Generación media anual total la 0,19 864,39 GWh. 364,25 GWh. 1 228,64 GWh. CH 69,91 GWh. 1 298,55 GWh. Tabla 9.4 Vaso de Almacenamiento 341 ELEVACIÓN AL NAMINO 346,00 M Elevación de diseño (corresponde a la carga de diseño 380,07 m de la turbina) Elevación al NAMO 391,00 m Elevación al NAME 394,00 m Capacidad para azolve (EL. 319,50) 482,40 hm³ Capacidad útil para generación 1 316,20 hm³ Capacidad de control de avenidas 117,50 hm³ Área al NAME 3 982,00 ha Área al NAMO 3 852,00 ha Área al NAMINO 2 087,00 ha 340 http://cfe.com.mx/elcajon/es 341 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 354 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 9.5 Obra de Desvío 342 TIPO Número de túneles Sección portal Longitud túnel 1 Longitud túnel 2 Gasto máximo de la avenida Gasto máximo de diseño Velocidad máxima de descarga Volumen de la avenida Elevación de entrada t1 Elevación de salida t1 Elevación de entrada t2 Elevación de salida t2 Elevación máxima de descarga (río) Obturadores 2 para t1 (ancho x alto) Obturadores t2 (ancho x alto ) Carga hidráulica máxima ( t1 / t2 ) Masa estimada de cada elemento Periodo de retorno (Tr) Ataguía aguas arriba Elevación de la corona Ancho de la corona Longitud de la corona Altura ( desplante El. 220,00 ) Volumen Ataguía aguas abajo Elevación de la corona Ancho de la corona Longitud de la corona Altura ( desplante El. 220,00 ) Volumen 342 TÚNEL (SECCIÓN PORTAL) 2 14x14 706 m 786 m 6 711,00 m3/s 5 248,79 m3/s 14,96 m/s 1 930,39 hm3 223,00 m 220,50 m 227,00 m 220,50 m 233,39 m 6X14 m 14X14 m 27 / 38 m 86 / 220 t 100 años 268,50 8,00 m 248,00 m 48,50 m 708 532 m 235.00 m 8,00 m 128.50 m 15.00 60,444 m3 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 355 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla 9.6 Cortina 343 TIPO ENROCAMIENTO CON CARA DE CONCRETO (CFRD) Elevación de la corona 395,00 m Elevación máxima del parapeto 396,50 m Elevación máxima de terracerías (aguas arriba) 391,70 m Elevación máxima de terracerías (aguas abajo) 393,00 m Longitud de la corona 550,00 m Altura total al desplante 186,00 m Elevación de desplante 210,00 m Altura bordo libre 2,00 m Talud aguas arriba 1,4 :1 Talud aguas abajo 1,4 :1 Tabla 9.7 Obra de Control y Excedencias 344 TIPO Avenida máxima probable Gasto máximo de diseño Gasto unitario máximo de descarga Volumen de la avenida de diseño Periodo de retorno de la amp (Tr) Velocidad máxima en la descarga Carga sobre la cresta Elevación de la cresta Longitud total de la cresta Carga hidráulica máxima Compuertas radiales Dimensiones (ancho x alto) Masa estimada de cada compuerta Relación alto / ancho Mecanismos para izajeElementos de cierre auxiliar Dimensiones (ancho x alto) 343 http://cfe.com.mx/elcajon/es 344 http://cfe.com.mx/elcajon/es CONTROLADO 15 915,00 m3/s 14 864,00 m3/s 207,01 m3/s/ m 5 238,00 hm3 10 000 años 46,00 m/s 22,00 m 372,00 m 72,00 m 20,70 m 6 piezas 12 x 20,70 m 178,00 t 1,73 Servomotores tablero de agujas 12,0 x 22,05 Página 356 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Carga hidráulica máxima Masa estimada del tablero Mecanismos para izaje 22,05 m 144 t Grúa pórtico Tabla 9.8 Obra de Generación 345 OBRA DE TOMA Tipo Dimensiones del vano (ancho / alto) Dimensiones de las rejillas (ancho, alto) por conducto Elevación del canal de llamada Elevación umbral de compuerta de servicio Carga hidráulica máxima Masa estimada de cada elemento Mecanismos de cierre Cantidad Mecanismo de izaje Mecanismos de cierre auxiliar Cantidad Dimensiones (ancho x alto) Elevación umbral de compuerta auxiliar Carga hidráulica máxima Masa estimada de cada elemento Tubería a presión Tipo Diámetro Longitud ( concreto ) Longitud (blindaje de acero ) Gasto de diseño Casa de Máquinas Tipo Dimensiones (ancho/largo/alto) Elevación piso de excitadores Potencia total instalada(generadores) Grúa viajera (cantidad-capacidad) Galería de oscilación Tipo 345 En rampa 6,244 x 7,95 m 15.36 x 18.89 m 322,40 m 322,87 m 71,13 m 75,00 t Compuertas rodantes 2 piezas Servomotores Compuerta rodante 1 pieza 6,244 x 7,95 m 324.33 m 71,13 m 75,00 t Acero 7,95 m 15,95 m 235,40 m 259,77 m3/s Subterránea 22,20 x 107,05 x 49,80 m 224,20 789,48 MVA 2 x 400 t Subterránea http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 357 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Dimensiones Altura máxima Dimensiones del vano para compuerta (ancho, alto) Nivel del agua con un canal del vertedor en operación (5 750 m3/s) y 2 unidades Nivel del agua sin unidades operando Mecanismos de cierre Cantidad Dimensiones (ancho x alto) Carga hidráulica máxima Masa estimada Mecanismo de izaje (Grúa viajera) Desfogue Tipo Dimensiones (diámetro) Longitud Nivel del agua en el río con 1 Unidad / 2 Unidades (Qdiseño) Subestación Tipo Tensión Área total en plataforma Elevación de la plataforma Arreglo Líneas de transmisión-subestación Número de líneas Longitud hacia la red Calibre del conductor Tensión 16,0 x 66,70 m 54,36 m 7,30 x 9,74 m 241,18 m 217,00 m Compuertas deslizantes 4 piezas 7,30 x 9,74 42,70 m 60,00 t 75,00 t Sección portal 13,90 m 310,33 m 220,38 / 222,10 m SF6 400 KV 15 252 m2 340,00 m Interruptor y medio 2 18 km 1 113 ACSR 400 KV Página 358 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ASPECTOS RELEVANTES DEL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISTEMA HIDROELÉCTRICO DEL RÍO SANTIAGO Fig. 9.4 Perfil Hidroeléctrico del Río Santiago 346 HIDROLOGÍA Fig. 9.6 Hidrograma de Volúmenes 347 346 http://cfe.com.mx/elcajon/es 347 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 359 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 9.6 Obra de Contención 348 Fig. 9.7 Construcción de cortina, vista de aguas arriba 349. 348 http://cfe.com.mx/elcajon/es 349 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 360 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 9.8 Construcción de la Cara de Concreto, Iniciando la Segunda Etapa 350 OBRA DE DESVÍO Consiste en 2 túneles de sección portales excavados en roca y alojados en margen izquierda; con concreto armados en la plantilla y lanzados en paredes y bóveda. Se complementa con 2 ataguías de materiales graduados con núcleo impermeable. Fig. 9.9 Vista Aérea de Obra de Desvió 351 350 http://cfe.com.mx/elcajon/es 351 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 361 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Permitirá descargar como máximo 7011 m3/s, caudal que en un minuto equivale al consumo diario de una población de 140 000 habitantes. OBRA DE EXCEDENCIAS Fig. 9.10 Perfil Obra de Excedencias. 352 352 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 362 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 9.11 Corte Longitudinal del Sistema de Generación. 353 353 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 363 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 9.12 Obra de Toma 354 9.3 SELECCIÓN DE TUBERÍA DE CONDUCCIÓN EN CUANTO A DIÁMETRO, PÉRDIDAS DE ENERGÍA Y MATERIAL DATOS PARA EL CÁLCULO DE LA OBRA DE GENERACIÓN Tubería a Presión Qdiseño = 259.77 m3/s * 2tuberias = 519.54 m3/s Hm = 213.06 m.s.n.m. = 0.008 (coeficiente de fricción) L= 235.40 m = 7.95 m = 0.05 – 0.10 mm Fp= 0.19 = 1298.55 * 106 Mwh 354 http://cfe.com.mx/elcajon/es Página 364 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS NAMO = 191 m NAMIN = 146 m 1. CALCULO DEL FACTOR DE GENERACIÓN. De donde: = 9.81 *0.8; entonces sustituyendo los datos que tenemos al principio obtenemos que: 2. CALCULO DEL FACTOR DE PLANTA. De donde: To = 1 año (en horas) = 8760, y por lo tanto el único dato que desconocemos es la Pmax, por lo que se despejará de la formula anterior y se procede a calcularla, entonces: Mw 3. CALCULO DE LA EFICIENCIA DE LA CONDUCCIÓN ( DEL SISTEMA( Y EFICIENCIA Primero determinaremos , y para ello es necesario determinar el valor de Hn, el cual se calcula de la siguiente forma: Primero determinaremos la velocidad a partir de la ecuación del gasto. Q=V*A Página 365 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS V= Con este dato podemos determinar las pérdidas por fricción. Dado los datos con los que se cuenta se hará el cálculo con la ecuación de Darcy Weisbach. De esta fórmula desconocemos el coeficiente de fricción, y para esto se determina de la siguiente manera: Ahora sí, se procede a sustituir los valores dato y este último obtenido: Es entonces que la carga neta es igual a la diferencia entre la carga bruta y las pérdidas por fricción, a su vez, la carga bruta resulta de la suma del NAMO y el NAMIN. Hn = Hb – Hf Hb = NAMO + NAMIN Hb = 191m + 146m = 337m /2 = 168.5 m Hn = 168.5 – 1.32= 167.17 m Por lo tanto: Y Página 366 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 9.3.1 POTENCIA Y GASTO POR UNIDAD Procederemos a calcular la potencia de la turbina: = 926184.42 C.V. Nota: Los ingenieros de la C.F.E. utilizan el factor como 8. Ya que se toma en cuenta la eficiencia de la tubería de conducción y además el generador. 9.4 NUMERO, TIPO DE UNIDADES Y DIÁMETRO DE LOS RODETES DE LAS TURBINAS. Datos: P = 926184.42 C.V. Hmax = 71.13 Ns = 150 m Hn= 166.53 m Este último dato fue obtenido por medio de la tabla que se anexa más adelante, tomando como referencia una Hmax = 77.13 m, por lo tanto: 1. CALCULO DE LA VELOCIDAD ESPECÍFICA Ns: Si consideramos la tabla para los diferentes tipos de turbinas (en función de la velocidad específica y los rangos más comunes de cargas para diferentes tipos de turbinas). Con el valor de la velocidad específica calculando y los parámetros de comparación obtuvimos una turbina: Página 367 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS FRANCIS TIPO NORMAL Con la fórmula USBR (USA), calculamos N’s para corroborar que la suposición fue correcta, la expresión es la siguiente: Tomamos el valor más pequeño de N’s = 161.49 Con el valor de N’s, calculamos el número de unidades que requerimos: Por lo tanto, ahora calculamos el valor de N’s: Con los datos obtenidos calculamos el nuevo gasto para cada tubería, sabemos que la potencia del sistema será de: 926184.42 C.V. Por medio de la fórmula de la potencia despejamos el gasto Q: Página 368 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Con el nuevo gasto calculamos el diámetro de cada tubería: Q=V*A Sustituyendo: Ahora calculamos las perdidas en la tubería: Con este nuevo valor calculamos la nueva carga neta: Hn = Hb – Hf Hn = 168.5 – 0.31= 168.19 m DIÁMETRO DEL RODETE Ahora calculamos el diámetro del Rodete: Página 369 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CARGA DE SUCCIÓN Ahora calculamos la carga de succión para lo cual requerimos de Ha y Hv: Para Hv se tiene que la temperatura media es de 37ºC, por lo que de la gráfica siguiente e interpolando se obtiene que: HV = 0.64320 m. Utilizando la fórmula de Schapov, puede calcularse el coeficiente de Cavitación de Toma: Escriba aquí la ecuación. Luego, entonces la altura de succión será: Página 370 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Lo que significa que el desfogue se encuentra como máximo a 3.062 m. abajo del rodete. 9.4.1 CASA DE MÁQUINAS (PREDIMENSIONAMIENTO) La casa de maquinas de la planta hidroeléctrica es el edificio que sirve para alojar a las turbinas y los generadores, así como al equipo necesario para garantizar su funcionamiento, control, servicio, y mantenimiento confiables. También se tienen los sistemas de mando, protección, automatización, talleres, transportes, etcétera. El equipo auxiliar indispensable para la operación de las turbinas y los generadores deben distribuirse en forma cómoda y racional de manera que ocupe el menor espacio posible, deberá ser compacto y ligero. Fig. 9.4.1 Casa de Maquinas, Presa Mazatepec355 208 Ing. Bernardo Quintana, 2004, La Fuerza del Agua, Presas en Latinoamérica, Fundación ICA, Pág. 173 Página 371 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El amplio rango de alturas utilizadas en las hidroeléctricas, así como las diversas condiciones geológicas, hidrológicas y climáticas obligan a utilizar turbinas de diferentes tipos y una serie de casas de maquinas son características propias. Una clasificación de las casas de maquinas de plantas hidroeléctricas es la siguiente: Casa de maquinas de hidroeléctrica de rio. Casa de maquina de hidroeléctrica junto a la cortina. Casa de maquina de hidroeléctrica con derivación. Casa de maquinas especiales. Casa de maquina de hidroeléctricas de rio combinadas con eje vertical u horizontal. Casas de maquinas interconstruidas en las cortinas de concreto. Casas de maquinas subterráneas. Fig.9.4.1 Vista de la Casa de Máquinas y la Subestación356 Las casas de maquinas combinadas son las que sirven al mismo tiempo como vertedores de demasías. Las casas de maquinas interconstruidas en la cortina se encuentran dentro de las cortinas de concreto de tipo gravitacional. Son escasas pero hay algunas muy interesantes. La hidroeléctrica de rio se construye para alturas máximas de 35 a 45 m. la casa de maquinas forma parte del frente de presión, sustituyendo a la cortina en el tramo correspondiente y la obra de toma forma parte de la casa de maquinas. En el caso de alturas superiores a 35 a 40 m, la casa de maquinas 356 Ing. Bernardo Quintana, 2004, La Fuerza del Agua, Presas en Latinoamérica, Fundación ICA, Pág. 172 Página 372 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS no puede formar parte del frente de presión y se tiene que construir en el tramo inferior, inmediatamente después de la cortina. Si la cortina es de concreto, de tipo gravitacional, entonces la obra de toma normalmente se integra a la cortina y el agua se conduce hasta la cámara espiral a través de una tubería ahogada en el concreto de la cortina o a veces sobre la superficie de la misma. 357 Fig. 9.4.1 Casa de maquinas subterránea, Presa Aguamilpa358 ELEMENTOS BÁSICOS DE LAS CASAS DE MAQUINAS En forma convencional, en las casas de maquinas se pueden destacar dos partes principales: Parte sumergida (parte inferior) Parte superficial (parte superior) Parte sumergida de las casa de maquinas 357 José Dolores Juárez. C, 1992, Centrales Hidroeléctricas, Ciencias y Tecnología Universidad Autónoma Metropolitana, México, D.F. Pág. 133 358 Ing. Bernardo Quintana, 2004, La Fuerza del Agua, Presas en Latinoamérica, Fundación ICA, Pág. 102 Página 373 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS La parte sumergida o subacuática de la casa de maquinas es la parte de la misma, que se encuentra por debajo del nivel del tramo inferior o por debajo del nivel del vaso en el caso de las hidroeléctricas de rio. La parte sumergida es la parte básica de la casa de maquinas, en donde se encuentra la conducción de la unidad: Toma o tubería de presión, cámara de la turbina y tubo de aspiración o canal de descarga para las turbinas Pelton. Además en ella se encuentran las turbinas y con sus dispositivos auxiliares y parte de los servicios auxiliares de la planta como los sistemas de aceite, de abastecimiento de agua técnica, secado de la cámara espiral y del tubo de aspiración, drenaje del edificio y otros. La parte sumergida de la casa de maquinas es la que recibe los mayores esfuerzos como los hidrostáticos, los hidrodinámicos, el peso de todo el equipo y de la construcción superior y los transmite a la cimentación. Como las casas de maquinas pueden alcanzar longitudes de cientos de metros, se tienen asentamientos y grandes esfuerzos térmicos, por lo que es necesario construir la casa de maquinas por secciones o bloques que pueden contener una o mas unidades generadoras. Los bloques se unen por medio de juntas de dilatación que permiten las dilataciones térmicas sin mayores esfuerzos y además impiden el paso del agua entre los bloques. Dimensiones y arreglos de la parte sumergida de la casa de maquinas. Las dimensiones de las casas de maquinas (CM) sumergida se determinan básicamente por los siguientes puntos: Diámetro del rotor de la turbina. Por la altura de succión, Hs. Por el tipo y dimensiones de la cámara espiral y del tubo de succión. En las turbinas Pelton por el canal o túnel de desfogue. En las hidroeléctricas de rio tiene gran importancia la parte de la toma directamente unida a la cámara de la turbina. Las condiciones geológicas pueden tener gran influencia. Parte superior de la casa de máquinas. Página 374 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Las dimensiones de la parte superior de la casa de maquinas (CM) esta relacionada con la forma de distribución del equipo en la sala de maquinas. Se pueden emplear tres alternativas para la parte superior de la CM. a. Cerradas b. Semicerradas c. Abiertas o de intemperie Las dimensiones de la parte superior cerrada, se determinan a partir de todo el equipo de la planta, incluyendo las grúas, se encuentra bajo el techo de la casa de maquinas. Para evitar la necesidad de otra grúa, en estos casos, el mantenimiento mayor de transformadores también se efectúa en el área de montaje, utilizando la grúa principal. Lo alto y lo ancho de la parte superior se determina tanto por las medidas del equipo, como por la forma de transportarlo del bloque hacia el área de montaje. Dependiendo de la forma de transporte, el ancho de la sala se máquinas A y su altura H pueden ser diferentes. Levantar el rotor de la unidad sobre los generadores permite reducir la anchura, pero requiere de un incremento de la altura. La anchura se puede reducir hasta 1.2 a 1.3 veces el diámetro del generador. Este arreglo es bueno en plantas con unidades de gran potencia y altura pequeña, donde los generadores tienen diámetros de 15 a 20 m. En estas condiciones el claro de la sala de máquinas puede alcanzar de 22 a 25 m. con alturas de por lo menos 30 metros. Es necesario recalcar que la parte superior de la casa de maquinas recibe grandes cargas de la grúas, ya que estas tienen capacidades que pueden alcanzar y superar las 1000 toneladas y el peso de la grúa es similar. Para reducir la capacidad de las grúas, en algunas plantas se desarma el rotor directamente en el bloque de la unidad y así las partes que se transportan son más ligeras. Para pesos del rotor superiores a las 500 toneladas puede ser ventajoso utilizar grúas apareadas, que cargan juntas el rotor de la unidad y otras cargas menores en forma independiente. En los casos de los generadores con el rotor fijo a la flecha (de tipo colgante), para reducir la altura de la sala de maquinas, se realiza el transporte retirándose del eje longitudinal de la sala, distancia entre el rotor que se transporta y las cubiertas de los generadores en operaciones, pueden estar entre 25 y 50 cm. La sala de maquinas de tipo semicerrado permite reducir notablemente sus dimensiones sin empeorar prácticamente las condiciones de operación de la planta, en este caso solo la grúa principal queda fuera del techo de la sala de maquinas. Sobre cada unidad va un techo removible, rodante o desplazado por la grúa, que permite el acceso de esta al equipo. Las principales ventajas de las casas de maquinas semicerradas son: Página 375 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Reducción del costo de la construcción de la parte superior de la casa de maquinas. Permite iniciar más rápido los trabajos de montaje del equipo, al disponer en menor tiempo las grúas. Dan la posibilidad de usar las grúas para mover las compuertas de las tomas y de los tubos de aspiración. Mejoran las condiciones de operación de las primeras unidades durante el periodo de construcción de la planta, al no estar transportando equipo sobre ellas. 359 Fig. 9.4.1 Casa de Máquinas donde se observa la grúa viajera360 ÁREA DE MONTAJE 359 José Dolores Juárez. C, 1992, Centrales Hidroeléctricas, Ciencias y Tecnología Universidad Autónoma Metropolitana, México, D.F. Págs. 136-141 360 Ing. Bernardo Quintana, 2004, La Fuerza del Agua, Presas en Latinoamérica, Fundación ICA, Pág. 103 Página 376 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El área de montaje esta destinada para armar el equipo que llega a la planta en el periodo de construcción y a la realización de trabajos de mantenimiento en el periodo de operación. En la mayoría de los casos el área de montaje se emplea también en la reparación y ensamble de los transformadores. Durante el periodo de construcción el área de montaje requerida puede ser mayor que la necesaria en el tiempo de operación normal de la planta, ya que se puede necesitar armar varios generadores al mismo tiempo. También se pueden acondicionar áreas de montaje temporales externas y en ellas se realiza el ensamble de equipos que no se dañen por los efectos atmosféricos. El área de montaje definitiva se calcula para el ensamble de una unidad cuando en la planta hay menos de 8 a 10 generadores y si son más de 10 es recomendable que se puedan reparar al mismo tiempo dos generadores. El área de montaje ocupa normalmente uno de los extremos de la sala de maquinas, ya que utiliza los servicios de la grúa de dicha sala. En algunos casos, en plantas con muchos generadores (mas de 20) pueden haber dos áreas de montaje. En los límites del área de montaje se pueden colocar los siguientes elementos: Cruceta superior del generador. La excitatriz y la subexcitatriz. El rotor del generador. La chumacera con todo su soporte. El techo de la turbina con la rueda de regulación. Los servomotores. El rotor de la turbina. El área de revisión de los transformadores. El área para el arribo de plataformas de carga. En la mayoría de las plantas hidroeléctricas con pocos generadores, la longitud del área de montaje no sobrepasa 1 a 1.2 veces la longitud del bloque de la unidad, solo con unidades muy compactas puede alcanzar 1.5 veces la longitud del bloque. La altura de la casa de máquinas en el área de montaje debe ser suficiente para que la grúa pueda realizar todas las maniobras sin dificultad. Página 377 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Los transformadores requieren de gran altura por lo que algunas veces es necesario hacer una fosa especial para el ensamble de los mismos. Esta fosa se cubre con losas de concreto cuando no se ocupa.361 9.5 POZOS DE OSCILACIÓN OBJETIVOS DE LOS POZOS DE OSCILACIÓN En las plantas hidroeléctricas se registran cambios bruscos de energía que se manifiestan como regímenes transitorios. El máximo cambio de carga se produce por el rechazo total de la carga por fallas en las líneas, las barras colectoras, el transformador elevador, etc., lo cual causa la desconexión del generador. La perdida total de carga puede ocurrir también por fallas en el gobernador (regulador de velocidad) y en las válvulas reguladoras de gasto (aparato de regulación), calentamiento excesivo de chumaceras, etcétera. También se producen cambios más o menos bruscos cuando la planta hidroeléctrica entra para cubrir la potencia de otras plantas que se desconectaron del sistema eléctrico de potencia (SEP) por fallas, dejaron de proporcionar. Con los cambios bruscos de carga se produce el golpe de ariete. Cuando no hay pozo de oscilación, el golpe de ariete se extiende a la derivación a presión y puede someterla a presiones decenas de veces mayores que las normales. En el pozo de oscilación colocado al final de la derivación a presión, se efectúa la amortiguación y el reflejo de las ondas del golpe de ariete, con lo que este no alcanza a la derivación a presión y además se reduce la sobrepresión en la tubería de la turbina. Resumiendo, el pozo de oscilación realiza las siguientes funciones: Protege la derivación a presión del golpe de ariete. Reduce la presión máxima (pico) en la tubería de la turbina. Mejoran la regulación de las turbinas. Cuando se tiene pozo de oscilación el cambio de carga de la PH causa la oscilación de las masas de agua en la derivación y en el pozo de oscilación. Con la perdida total de carga en la PH, se cancela el paso de agua por la tubería de la turbina, sin embargo, en la derivación el agua continua moviéndose por inercia cierto tiempo. 361 José Dolores Juárez. C, 1992, Centrales Hidroeléctricas, Ciencias y Tecnología Universidad Autónoma Metropolitana, México, D.F. Págs. 142-143 Página 378 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El agua al estar llegando al pozo, causa el incremento de nivel, por lo cual la velocidad del agua en la tubería se reduce. Cuando el nivel del agua se iguala con el del vaso, la diferencia de niveles al principio y al final de la derivación es cero, pero el agua aun se mueve cierto tiempo por inercia. El pozo se llena hasta un determinado nivel máximo, con el cual el movimiento de agua en la derivación se cancela. Después de esto el agua se empieza a mover en dirección contraria (del pozo hacia el vaso), y el nivel del pozo baja. En el sistema derivación-pozo, aparecen oscilaciones que se amortiguan por las perdidas de energía en fricción. Finalmente en el pozo se establece el nivel estático. El nivel máximo en el pozo se obtiene cuando el nivel del vaso esta al máximo (NAME) y se produce en estas condiciones el rechazo de carga total. Este nivel máximo se presenta en la primera etapa del transitorio y sirve de base para determinar la carga hidrodinámica de la derivación y de la parte superior de la tubería de la turbina. Cuando la carga se incrementa intempestivamente, el proceso se realiza al revés: baja el nivel del pozo, crece la velocidad del agua en la tubería, y aparecen las oscilaciones en el pozo. El mínimo nivel se produce también en la primera fase de oscilación. El nivel mas bajo en el pozo se produce, cuando el nivel del agua ante la toma es mínimo y con el se determinan la profundidad de colocación del final de derivación a presión y del inicio de la tubería de turbina. Los cambios bruscos y considerables de carga, pueden producir oscilaciones de gran amplitud que pueden amortiguarse o crecer. Los pozos de oscilación deben diseñarse de tal manera que en todos los casos las oscilaciones se amortigüen lo más rápido posible, para evitar regímenes inestables de la turbina (variación de altura). Un régimen inestable puede desembocar en la desconexión de la unidad. LOCALIZACION DE LOS POZOS DE OSCILACION Los pozos de oscilación pueden instalarse para: Proteger derivaciones a presión. Proteger tuberías de las turbinas. Proteger túneles de desfogue a presión. Por lo anterior se intuye que los pozos de oscilación pueden localizarse al final de la derivación para proteger la derivación a presión, lo mas cerca posible de la casa de maquinas cuando protege la tubería de la turbina y después del tubo de succión cuando protege al desfogue a presión. Página 379 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Las tuberías de la turbina solo se protegen cuando son de gran longitud, por ejemplo cuando la casa de maquinas esta después de grandes cortinas de tierra y piedra. Un caso similar es cuando hay derivación abierta, pero la obra de puesta a presión resulta muy alejada de la casa de maquinas. La necesidad de construir el pozo de oscilación se determina por el valor de la elevación de la presión permitida y por el número r.p.m. permitidas por la unidad. A grandes rasgos se puede considerar que el pozo de tubería de la turbina, cámara espiral y tubo de aspiración: ∑1 V> (30-50) H O si la constante de inercia de la tubería: Ttub= 5seg. Donde: l= Longitud de los tramos. V= Velocidad máxima del agua en los tramos. H= Altura estática de la planta. Entre mayor sea la importancia de la planta en el sistema, menor será la constante de inercia Ttub permitida. En el proyecto en detalle Ttub se calcula por las condiciones de regulación de la turbina y se concierta con el fabricante. Las lumbreras que se utilizan en las construcciones (verticales o inclinadas) se pueden aprovechar para pozos de oscilación, reduciendo en esta forma los costos. TIPOS DE POZOS DE OSCILACION Existe un gran número de pozos de oscilación, desde muy simples hasta muy complejos, entre los que se encuentran los siguientes: Pozo de oscilación sencillo. Tiene forma cilíndrica y sección transversal constante, puede ser pozo o torre de concreto. Siempre que es posible se prefiere el pozo, por resultar menos costoso que la torre. Sus características de amortiguación no son muy buenas, por lo que se usan solo para pequeñas alturas. Página 380 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Pozo de oscilación son resistencia. Es un recipiente con una sola cámara, con oscilación, es indispensable para la derivación a presión, sección transversal constante o variable que se une a la derivación a presión que se une a la derivación a presión a través de una galería con resistencia hidráulica adicional, como un diafragma, reja, etc. La resistencia causa perdidas hidráulicas adicionales, lo cual ayuda a la amortiguación de las oscilaciones de las masas de agua y reduce la amplitud de las mismas. En este pozo se requieren menores dimensiones que en el sencillo. Las resistencias no deben ser muy grandes; por que causan la llegada de las ondas de sobrepresión y depresión a la derivación. Estos pozos se utilizan en alturas medias. Pozos de oscilación con doble cámara. Esta formado por una cámara inferior y una superior unidas por medio de una galería de no muy grande sección. Cuando se incrementa la carga del generador, la turbina requiere de más gasto y el agua adicional se toma de la cámara inferior del pozo, con esto baja su nivel y se incrementa el gasto en la derivación. Después de algunas oscilaciones se establece el nuevo punto de equilibrio. Si se pierde la carga de la planta el nivel del agua en el pozo sube rápidamente hasta la cámara superior y empieza a llenarla, el nivel sube más lentamente. Con la cámara llena, la energía cinética del agua en la derivación a presión pasa a ser la energía potencial del agua que llena la cámara. Con un mismo nivel el centro de gravedad del volumen de agua en la cámara superior. Se encuentra mas arriba que en el pozo cilíndrico, por lo que el volumen de la cámara superior será menor que el volumen de la cámara del pozo cilíndrico. Estos pozos se usan para grandes alturas. Pozo de oscilación con vertedor. Es un pozo con doble cámara complementado con un vertedor. Con la sobrepresión el agua llega a la cámara superior a través del vertedor y de la pared inferior del tubo. Para permitir la salida del agua de la cámara superior se hacen orificios en la pared del tubo vertedor. Cuando se produce el rechazo de carga total, el agua sube rápidamente por el tubo, alcanza el borde superior y se derrama en la cámara superior. Este tipo de pozo es el mejor en el que se tienen grandes alturas, ya que el vertedor asegura la estabilidad de la carga estática con lo que se facilita la regulación de la turbina. La cámara inferior funciona para el incremento del gasto, en la misma forma que en el pozo de oscilación con doble cámara. Página 381 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Pozo de oscilación diferencial. El pozo de oscilación diferencial esta formado por una cámara en cuyo interior se encuentra un cilindro auto soportado unido a la derivación a presión. El cilindro interior tiene orificios en sus paredes y esta abiertos en la parte superior. Con la perdida de carga el agua llega a la cámara por la parte superior del cilindro, funcionando en igual forma que en el pozo de oscilación con vertedor. Con el incremento de carga este pozo funciona igual que el pozo de oscilación con resistencia. Este pozo es conveniente cuando se necesita construirlo sobre la superficie terrestre. Pozo de oscilación neumático. Este pozo de oscilación esta formado por una cámara hermética es la cual sobre la superficie del agua se tiene aire a presión. Con la perdida de carga al subir el nivel en el pozo, se produce la compresión del aire, lo cual limita la amplitud de las oscilaciones. Con el proceso ondulatorio el aire se comprime y se expande periódicamente dentro de la cámara del pozo. Una desventaja de estos pozos es que el aire entra paulatinamente en suspensión en el agua y hay que reponerlo cada vez que sea necesario. En estos pozos el nivel del agua es inferior que el del vaso o la obra de puesta a presión. Pozo de oscilación semineumático. En una cámara que tiene un pequeño orificio hacia la atmósfera en su parte superior, el orificio representa una resistencia al paso del aire tanto cuando se trata de expulsar de la cámara como cuando trata de entrar a ella. Este pozo funciona de manera similar a los neumáticos, pero sin tener la necesidad de abastecerlo de aire a presión. La experiencia muestra que amortigua en forma efectiva las oscilaciones. 362 362 José Dolores Juárez. C, 1992, Centrales Hidroeléctricas, Ciencias y Tecnología Universidad Autónoma Metropolitana, México, D.F. Págs. 112-118 Página 382 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 383 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS ANEXO I CALENTADOR SOLAR Página 383 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS INTRODUCCIÓN362 Los principios físicos involucrados en el calentamiento del agua usando la energía del sol no son muy complicados, solo se requiere conocer su funcionamiento. Los principales retos son: diseñar, instalar y usar adecuadamente el equipo solar para que el consumidor pueda contar con un sistema confiable que le permita economizar combustible convencional y de esta manera contribuir a la reducción de emisiones contaminantes, por la disminución del consumo de hidrocarburos como el gas licuado o natural, que son recursos energéticos no renovables. Las aplicaciones de estos sistemas para uso domestico pueden ser muy variadas, por ejemplo: el calentamiento de agua para aseo personal, lavado de utensilios de cocina y ropa etc. Para cada una de estas aplicaciones, los requerimientos de temperatura y volúmenes de agua son diferentes y se requieren en cada caso un diseño específico. EL SISTEMA DE CALENTAMIENTO SOLAR El sistema de calentamiento solar de agua esta formado básicamente por custro elementos: Un dispositivo que convierte la radiación solar en calor (termo-conversor solar) conocido como captador solar. Un recipiente diseñado para el almacenamiento del agua caliente llamado termotanque. Un sistema para la circulación y distribución de la misma. Un sistema de control para asegurar el buen funcionamiento. El principal componente es el captador solar. El mas conocido es el tipo placa plana llamado captador solar plano. ANATOMÍA DE UN CAPTADOR SOLAR PLANO En el comercio el captador solar mas conocido es el que contiene dos tubos distribuidores, uno para el agua fría de entrada y otro para el agua caliente de salida, unidos estos por tubos perpendiculares provistos de aletas, las cuales aumentan la superficie expuesta al sol, en cuyo interior circula el agua para su calentamiento. La figura 1.1 representa un captador solar plano. 362 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 384 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.1 circulación del agua dentro de un captador solar plano 363 El captador solar plano consiste en un elemento que actúa como absorbedor, que puede ser metálico ( fierro, cobre aluminio etc.) o de plástico negro ( polietileno, polipropileno, etc.), generalmente de forma rectangular y cubierto con un material que permite una máxima absorción de la radiación solar, el cual puede ser una pintura negra poco reflejante o algún tipo de recubrimiento especial. Una de las propiedades de la mayoría de las pinturas negras es tener alta absorción de radiación solar, pero al mismo tiempo alta emisión de radiación infrarroja esto quiere decir que pierden mucha energía térmica (calor) cuando no están expuestas al sol. Para evitar lo anterior, se fabrican recubrimientos que tienen alta absorción de radiación solar (absortividad) y baja emisión de calor (emisidad). A estas superficies se les llama selectivas, siendo las mas comerciales los recubrimientos de óxidos metálicos, como el oxido de cobre y el oxido de cromo, así como compuestos de titanio los cuales contribuyen por un lado a aumentar la cantidad de calor que llega al absorbedor y por otro a disminuir la cantidad de calor que pierde, asiéndolo mas eficiente. La cantidad de calor absorbida por el agua dependerá de la velocidad con que se haga pasar a ésta al el interior de los tubos, del diseño y de las perdidas de calor del captador solar plano. 363 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 385 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS COMO SE ALMACENA EL AGUA CALIENTE364 Al recipiente que almacena el agua el agua caliente para su uso posterior se le conoce como tanque de almacenamiento de agua caliente o termotanque. Los termotanques deben estar probados a cierta presión interna máxima. En general, existen dos tipos de termotanques, uno de baja presión (menor de 1.5 kg/cm2 o 147 Kpa) y otro de alta presión (de 1.5 a 4 kgf/cm2 o147 a 392 Kpa) compatibles con los sistemas hidroneumáticos de tipo domestico o con la presión de la red municipal. Con objeto de evitar sobrepresión debida a un posible sobrecalentamiento (estancamiento del agua al interior del colector), los termotanques deben estar protegidos de una válvula de seguridad o columna de aire colocado por arriba del nivel del agua de suministro el volumen del termotanque debe ser lo suficientemente grande para proveer de agua caliente y así cubrir las necesidades diarias. En caso de aplicaciones domesticas, se estima un consumo general máximo de 75 lts. Por adulto y 55 lts. Por niño, mismos que se consideran consumos normales, sin embargo, estas cantidades pueden variar deacuerdo al consumo personal. En climas calidos, la capacidad diaria promedio de agua caliente (50 a 60ºC) por metro cuadrado de captador solar varia de 50 a 100lts dependiendo de la eficiencia del captador, de las condiciones climatológicas y de la radiación solar recibida. Es decir por ejemplo, para una familia de 4 personas se requerirá un promedio de 250 lts. De agua caliente y se necesita una superficie de captadores solares de entre 3 y 5m2. Los volúmenes de los termotanques disponibles en el comercio fluctúan entre los 100 y 500 lts. De capacidad. Las temperaturas del agua almacenada varían normalmente entre 40 y 60ºC, en función del tipo de captador solar. Entre mayor sea la temperatura del agua caliente, el volumen de almacenamiento disminuye, pero las perdidas de calor son mayores, requiriéndose mas espesor de aislamiento térmico. Por lo general, un buen termotanque no debe perder más de 4ºC por cada 12h. Debido a condiciones adversas es necesario contar con un sistema auxiliar de calentamiento como respaldo. Normalmente la vivienda cuenta con un calentador de agua con quemador de gas, o de otro tipo de combustible o eléctrico el cual puede conectarse en serie con el sistema solar, así, tendrá como función suministrar el calor faltante para alcanzar las condiciones deseadas para el calentamiento de agua. Por lo general el agua caliente que sale del termotanque que alimenta el sistema auxiliar de respaldo o pasa directamente a la línea de suministro de agua caliente, dependiendo de la 364 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 386 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS temperatura alcanzada con el sistema solar. La figura 1.2 representa un sistema solar con apoyo de un sistema auxiliar de calentamiento. Fig. 1.2 sistema de calentamiento solar con apoyo de un calentamiento auxiliar 365 SISTEMA TERMOSIFONICO366 La figura 1.3 representa de manera esquemática un sistema de calentamiento solar que funciona por medio de circulación natural, o termosifonico. En este caso el termotanque se encuentra por arriba del captador solar y a través de este se alimenta el agua fría hacia la parte inferior del mismo. El agua disminuye su densidad al calentarse y asciende hasta la parte alta 365 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) 366 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 387 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS del captador, introduciéndose en el termotanque y regresando al captador, con esto se establece una circulación natural del agua entre el termotanque y el captador solar. La velocidad de circulación y la capacidad de calentamiento del agua dependerán del diseño hidráulico del sistema y de las condiciones climatológicas y de radiación solar incidente en la localidad. El tanque elevado colocado por arriba del nivel del temotanque es un dispositivo muy importante ya que suministra el agua fría necesaria para el termotanque y sirve de columna de agua de presión para desplazar el volumen de agua caliente cuando esta es extraída. Fig. 1.3 sistema de calentamiento solar con circulación natural (termosifónico) 367 Si el tanque elevado no tiene agua, el agua caliente no podrá extraerse a pesar de estar lleno el termotanque. Como el sistema trabaja utilizando el impulso termosifonico del agua, es muy importante que el equipo no tenga constricciones u obstáculos que limiten la circulación del agua, como codos, reducciones de tubería, válvulas y otros dispositivos que aumenten la presión interna y dificulten o imposibiliten la circulación natural. Por lo anterior, el diámetro de los tubos deberá ser un poco mayor en un sistema termosifonico que en uno de convención forzada. En estos sistemas termosifonicos se presenta en ciertas condiciones el llamado 367 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 388 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS termosifón o flujo inverso, esto sucede por lo general durante la noche, como el termotanque es el punto mas caliente, el agua empieza a circular de manera inversa, hacia el captador y esto provoca su enfriamiento. Existen dispositivos de control que evitan este flujo inverso, que consisten en válvulas antirretorno, diseñadas ex profeso para tal tipo de sistemas. En este caso es muy importante comprobar que la válvula antirretorno este especialmente diseñada para el sistema termosifonico, el cual opera a una presión mas baja que el sistema de circulación forzada de no ser así podría crearse una obstrucción y bloquear el sistema de circulación del agua. Otra forma de limitar este fenómeno consiste en fijar una distancia mínima de 50cm entre la base del termotanque y la parte alta del captador solar. Fig. 1.3 Propuesta No.- 2, sistema de calentamiento solar con circulación natural utilizando termo-tanque 368 368 http://micalentadorsolar.com.mx/documents/fabricacion.html Página 389 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS SISTEMA TERMOSIFÓNICO CON TUBOS EVACUADOS369 La operación de un sistema termosifonico compuesto por tubos evacuados es similar a la de un captador solar plano. Tal sistema esta constituido por un banco de tubos evacuados con diámetros entre 47 y 58mm y longitudes de tubos que varían de 150 a 210cm. Las capacidades de los sistemas termosifonicos para uso domestico están entre 100 y 500. El agua fría contenida en el termotanque desciende a los tubos evacuados en donde se calienta, y al ir diminuyendo su densidad asciende al tanque de almacenamiento durante las horas de incidencia de la radiación solar. En estos sistemas se elimina el uso de tubería para conectar los captadores solares del termotanque, pues los tubos evacuados sin ser tan directamente a este deposito. En relación de la inclinación y orientación de los captadores evacuados, se aplican las mismas recomendaciones que los captadores planos normales. La figura 1.4 muestran sistemas de calentamiento solar con tubos evacuados que opera la circulación natural o por termosifón y abaja presión por lo general los tubos tienen reflectores integrados para incrementar la captación de la energía solar. En la figura 1.5 se aprecia la forma en la que el agua circula en un captador solar evacuado termosifonico que opera a baja presión. Cuando el abastecimiento de agua fría al sistema solar evacuado es mediante un equipo hidroneumático, por presión de la red municipal o a través de una red municipal o a través de un tanque elevado con una altura superior a 2.5m se debe instalar un sistema de calentamiento indirecto. Dicho sistema consiste en utilizar un segundo tanque en donde existe un circuito primario de baja presión que consta de los tubos evacuados insertados en el tanque de baja presión, el cual se llena mediante un deposito colocado en la parte superior de dicho recipiente y otro tanque de menor diámetro que almacena el agua caliente que va a servicios y que soporta presiones de hasta 4.0 kgf/cm2 392 KPa. 369 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 390 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Fig. 1.4 sistema de calentamiento solar con tubos evacuados funcionando con circulación natura 370 Fig. 1.5 circulación del agua al interior de un captador solar evacuado funcionando con 371 Circulación natural 370 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) 371 Isaac Pilatowsky, Rodolfo Martínez, Sistemas de calentamiento solar del agua una guía para el consumidor, segunda edición, Enero 2009, editorial trillas, México, 91 págs. (págs. 11, 13, 15, 16, 31, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44) Página 391 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS CASA HABITACIÓN XOLA S/ N, COL. LUIS DONALDO COLOSIO MUNICIPIO DE ECATEPEC, ESTADO DE MÉXICO MEMORIA TÉCNICO – DESCRIPTIVA DEL PROYECTO DE INSTALACIÓN HIDRÁULICA CONTENIDO 1.- ANTECEDENTES 2.- BASES DE DISEÑO 3.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 4.- RECOMENDACIONES PARA EL BUEN FUNCIONAMIENTO DE LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN HIDRÁULICA 5.- CÁLCULO DEL SISTEMA Página 392 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 1.- ANTECEDENTES El predio tiene una superficie de 129.36 m2, donde se construirá una casa habitación unifamiliar, distribuida en dos niveles. El suministro de agua potable será de la red de distribución que se localiza en la calle Xola. 2.- BASES DE DISEÑO Para el diseño y cálculo de la red se definen los siguientes criterios generales: A) La alimentación se hará mediante una toma a la red municipal. B) El almacenamiento de agua se hará en una cisterna. C) La capacidad de la cisterna es de dos días de consumo mínimo diario. D) Según el reglamento la dotación de agua es de 200 lts/hab/día. E) considerando el número de habitantes (recamaras), la densidad de población será de 7 habitantes de la casa habitación. F) Para el cálculo de tuberías se utilizará el método de probabilidades de Hunter. 3.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El proyecto comprende una toma de la red pública para el suministro de agua hacia la cisterna localizada en el área de estacionamiento. El almacenamiento neto en la cisterna es de dos días de consumo mínimo, cumpliendo con lo dispuesto en el Art. 150 del Reglamento de Construcción del D.F. De la cisterna subirá con ayuda de equipo de bombeo al tinaco, en el cuál se colocará una válvula de flotador y tres electroniveles, los cuales controlarán el arranque y el paro de la bomba y posteriormente alimentará al calentador solar y bajará a alimentar a cada uno de los muebles sanitarios. Página 393 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 4.- RECOMENDACIONES PARA EL BUEN FUNCIONAMIENTO DE LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN HIDRÁULICA.372 Se instalarán llaves de cierre automático ó aditamentos economizadores de agua, en excusados con descargas de 6 lts por servicio, regaderas con descargas máximas de 10 lts por minuto y dispositivos de apertura y cierre de agua que eviten su desperdicio. Los lavabos, fregaderos, lavaderos, no deberán consumir más de 10 lts por minuto. 5.- CÁLCULO DEL SISTEMA373,374,375 DOTACIÓN Y POBLACIÓN DE PROYECTO. La dotación d agua potable del proyecto para la casa habitación es: No. de habitantes 7 habitantes Dotación de agua por habitante 200 lts/hab/día Cálculo de demanda diaria y gastos. Consumo Medio Diario = población x dotación = 7 x 200 lts/hab/día = 1400 lts/día Gasto Medio Diario = 1400 / 86400 = 0.0162 lps Para calcular los gastos máximos se multiplicará el Gasto Medio por los coeficientes de variación diaria y horaria que son de 1.40 y 1.55 respectivamente. Gasto Máximo Diario = 0.0162 x 1.40 = 0.0223 lps 372 Normas de Proyecto de Ingeniería, Junio 1994, México, págs. 569Tomo II Instalaciones Hidráulicas, Sanitarias y Gases Medicinales.Instituto Mexicano del Seguro Social. 373 Normas de Proyecto de Ingeniería, Junio 1994, México, págs. 569Tomo II Instalaciones Hidráulicas, Sanitarias y Gases Medicinales.Instituto Mexicano del Seguro Social. 374 Curso de Instalaciones Hidráulicas con Tubería de cobre, Págs. 65Nacobre (Nacional de Cobre S.A. de C.V.) 375 Ing. Becerril L. Diego Onesimo, Datos prácticos de Instalaciones Hidráulicas y Sanitarias, séptima edición (corregida y aumentada), México. Página 394 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Gasto Máximo Horario = 0.0223 x 1.55 = 0.0346 lps CÁLCULO DE LA CISTERNA De acuerdo con el Reglamento de Construcción del Distrito Federal, art. 150, el almacenamiento de la cisterna establece un día más de reserva, es decir un total de dos días de almacenamiento. Volumen de almacenamiento = 1400 lts Volumen de reserva = 1400 lts Volumen total de almacenamiento = 2800 lts Se propone una altura total interior de cisterna de 1.60 m, de donde la altura del nivel de agua será igual a 1.20 m, quedando una cámara de aire de 0.40 m. Por lo que se tiene para una cisterna de base cuadrada: Dimensión de la cisterna (interior) = 1.53 x 1.53 x 1.60 CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA TOMA DOMICILIARIA Al considerar el gasto en una sección circular, a una velocidad equivalente (V = 1.0 m/seg) y el gasto máximo diario, de acuerdo al manual de normas de proyecto, para la conducción desde la red municipal de agua potable hasta el almacenamiento (cisterna) se tiene: En donde: Determinación del gasto. Página 395 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Si Sustituyendo valores: Se elige el diámetro más comercial de 13 mm. CÁLCULO DE DIÁMETROS DE TUBERÍAS (A PARTIR DE LA BOMBA) Estos diámetros serán usados, como diámetro de succión, para la columna de agua que sube de la cisterna al equipo de bombeo y diámetro de descarga, para la columna que sube del equipo de bombeo al tinaco. Se considera que el gasto máximo diario deberá de fluir por la tubería seleccionada con velocidad media de 1.40 m/seg. Para el cálculo de tuberías, aplicaremos el método de Hunter que se basa en el tipo y cantidad de muebles sanitarios representados como Unidad Mueble (U.M.), para determinar el gasto. Para la totalidad de muebles de baño y servicios, las Unidades Mueble correspondientes son: Página 396 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Mueble Cantidad U.M./Mueble Total W.C. 2 3 6 Lavabo 2 1 2 Regadera 1 2 2 Fregadero 1 2 2 Lavadero 1 4 4 16 U.M. De acuerdo al método de Hunter, el gasto es: U.M. de consumo = 16 U.M. = 0.79 lps Donde: Se elige el diámetro comercial de 25 mm (1”). Este es el diámetro adecuado para la conducción del gasto calculado para abastecer el llenado del tinaco (succión), y para el diámetro de la tubería de descarga consideraremos de 19 mm (3/4”). CÁLCULO DE DIÁMETROS DE TUBERÍAS (A PARTIR DE TINACO) En cuanto a la alimentación de los distintos servicios, a partir del tinaco, emplearemos el mismo criterio de selección de diámetros, por medio de las Unidades Mueble (método de Hunter). De esta manera nos da como resultado lo siguiente: Página 397 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS U.M. Diámetro (Ø) mm 1-4 13 6 19 10 25 16 32 CÁLCULO DE LA BOMBA Almacenamiento en tinaco = 1100 lts Tiempo de llenado = 15 min Fórmula para el cálculo de bombas: Donde: HP = Potencia del motor Q = Gasto en litros h = Altura total en metros t = Tiempo en segundos 76 = Coeficiente (sistema métrico) E = Eficiencia del motor Determinación de la altura total: 1.- Altura total vertical = 2.00 + 5.40 + 2.65 = 10.05 m 2.- Longitud de tubería horizontal = 0.75 + 0.15 + 0.30 + 0.40 + 8.25 + 0.65 = 10.50 m 3.- Longitud de succión + longitud de descarga (conexiones) = 7.41 + 11.35 = 18.76 m 4.- Longitud de descarga + succión + tubería horizontal = 7.41 + 11.35 + 10.50 = 29.26 m Página 398 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS 5.- Dividir 29.26 m entre 10 = 2.93 m de tubería vertical 6.- Suma de altura total vertical + tubería vertical = 10.05 + 2.93 = 12.98 m altura total Sustituyendo: Se elige una bomba con una potencia comercial de 0.50 HP. TABLA PARA DETERMINAR EL TIPO DE CALENTADOR EN FUNCION DEL NÚMERO DE PERSONAS Para clima templado-frío con heladas, temperatura de agua 15°C, Para uso de regadera, lavabo, fregadero y lavado de ropa, más lavatrastes, 80 litros por persona a 60°C 376 Tabla.1.2 Tablas de selección de calentadores solares No. de personas Capacidad de termotanque Numero de colectores solares planos Válvula Anticongelante 2 200 2 1 4 300 4 1 6 300 + 200 5 1 8 2x 300 6 1 10 3x 300 8 2 376 Ing. Becerril L. Diego Onesimo, Datos prácticos de Instalaciones Hidráulicas y Sanitarias, séptima edición (corregida y aumentada), México. Página 399 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla.1.3. temperatura media anual estatal 2004. 377 DATOS PARA LA DOTACIÓN DE AGUA CALIENTE, CON CALENTADOR SOLAR. Población de proyecto: 7 personas. Se tomara una temperatura de 15oC, promedio medio anual de la tabla de variaciones de temperatura del 2004, ya que existe una variación entre el año de 2004 y el 2008 de un 1oC, para el estado de México. 377 CONAGUA Página 400 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS El suministro de agua caliente para este tipo de clima, por persona es de 80 litros a una temperatura de 60oC; Incluye el uso de regadera, lavabo, fregadero, lavado de ropa y lavatrastes. 1. Dotación de agua caliente necesaria(DAC): DAC: 7 Personas x 80 litros/Persona = 560 litros. Nota.- Suponiendo que el agua que llega del tinaco de suministro al calentador solar esta a temperatura ambiente aproximadamente a 15oC, promedio medio anual, la diferencia de temperaturas seria de: Temperatura de agua necesaria_ _ _ _ 60oC Temperatura de agua suministrada_ _ 15oC Diferencias de temperaturas_ _ _ _ _ 45oC Si Para elevar la temperatura del agua, un 1oC, se necesita Una caloría, para elevarla 45oC, se necesitan 45 calorías por litro, por lo cual para elevar la temperatura a los 560 litros es necesario las siguientes calorías: 2. 560 litros X 45 calorías/litro = 25, 200 calorías. Ahora en México se tiene un promedio de radiación solar de 5Kwh/m2, pero su eficiencia en captación es del 80%, por lo cual se tiene que: Para un 1Kwh = 860 calorías. Para 5 Kwh/m2 = (860 x 5) = 4, 300 calorías/m2. Por su eficiencia: 4,300 calorías/m2 x 0.80 = 3, 440 calorías/m2. 3. Determinación de la superficie necesaria del colector solar es igual a: Área: 25, 200 calorías / 3, 440 calorías / m2. = 7.33 m2, donde = 7.35 m2. PROPUESTA DE CALENTADOR Con estos datos se procederá a realizar un mercadeo entre los distribuidores de calentadores solares, para determinar quien cumple con las condiciones especificadas en el suministro de agua caliente aúna temperatura de 600C. Página 401 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Por lo cual se describe el calentador propuesto para estas condiciones: Modelo H2P 300 Fig. 1.6 Características 378 El modelo H2P cuanta con un tanque de 300lts reforzado con tapas toriesfericas para soportar 6 kg/cm² de presión, un recubrimiento interno epóxido grado alimenticio y como aislamiento poliuretano de alta, una base fabricada de acero, los colectores solares son 2 de 2m² cada uno de cobre con cajón galvanizado y superficie de policarbonato de alta con protector para rayos UV. Cuanta con una larga vida útil de más de 20 años 378 http://solariumcalentadores.com.mx/por_que_instalar_un_calentador_solar.php Página 402 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Tabla.1.4. Ficha Técnica del modelo H2P 300 379 Termo tanque capacidad 300 litros temperatura 50° a 60° (Celsius) ideal para una casa interior recubrimiento epóxido grado alimenticio exterior galvanizado aislamiento poliuretano de alta densidad presión 6 kg/cm² base acero pintado con esmalte anticorrosivo Panel solar área (m²) 4 m² captador cobre parte superior policarbonato celular de 6 mm con protector UV marco acero galvanizado dimensiones largo 204 cm ancho 89 cm altura 10 cm De acuerdo al resultado obtenido se tiene lo siguiente: Por calculo se tiene un área de 7.35m2 aproximadamente, la tabla 1.2 nos pide de cinco a seis celdas, el fabricante nos ofrece una área de 4m2 y dos celdas. Por lo tanto se usaran dos equipos para cubrir el área requerida quedando 8m2 y cuatro celdas. 379 http://solariumcalentadores.com.mx/por_que_instalar_un_calentador_solar.php Página 403 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECÁNICA Y ENERGÍAS ALTERNAS Página 404 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS ANEXO II PLANTA DE BOMBEO Página 404 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS AUTLÁN DE NAVARRO El significado de Autlán se deriva de las voces aztecas “Aotli” y Tlan” que significan camino de agua, canal ó zanja y lugar de ó cerca de respectivamente. Autlán quiere decir: junto a la zanja. La ciudad de Autlán no tiene escudo de armas. Siendo su origen precortesiano, las autoridades municipales, las asociaciones y grupos culturales, cívicos, religiosos, sociales y pueblo en general, reconocen y utilizan como escudo el jeroglífico “Atlan” del Códice Mendocino, en blanco y negro que representa el corte transversal de un acueducto por el que corre el agua. Fig. 1 Escudo del municipio de Autlán de Navarro380. El correr del agua produce ondas que se representan por tres líneas horizontales onduladas, desprendiéndose de la línea superior cuatro figuras verticales, también onduladas, que son las burbujas que el agua produce al soplo del viento. Bajo las líneas se ven tres figuras en forma de dientes para representar el sonido “tlan” de su nombre, sobre un fondo obscuro que representa la arena del acueducto. 380 Sandoval Linares, Carlos, UNED 1990. Toponimia Pictográfica de Jalisco. Colección Varia No. XVII. Página 405 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Principales Localidades El municipio tiene 126 localidades siendo las más importantes: Autlán (cabecera municipal), El Chante, Ahuacapán, El Corcovado y Lagunillas. Nombre Población (Año/habitantes) 1990 1995 Cabecera Municipal 34,073 34,729 El Chante 2,028 2,067 Ahuacapán 1,117 1,138 El Corcovado 1,044 1,064 Las Lagunillas 837. 853 Tabla 1 Población de las principales localidades del municipio de Autlán381 De acuerdo a los resultados que presenta el II Conteo de Población y Vivienda del 2005, el municipio cuenta con un total de 53,269 habitantes. Descripción Geográfica El municipio de Autlán se localiza al suroeste del estado, entre las coordenadas extremas de 19º34’30’’ a los 19º53’45’’ de latitud norte, y 104º07’00’’ a 104º27’35’’ de longitud oeste, con una altitud de 900 metros sobre el nivel del mar. Cuenta con una superficie de 962.90 km2. Limita al norte con los municipios de Ayutla y Unión de Tula; al sur con Cuautitlán; al oriente con Tuxcacuesco y El Grullo y al poniente con los municipios de Purificación y Casimiro Castillo. 381 Secretaría y Promoción y Desarrollo Económico del Gobierno de Jalisco. Ficha Municipal de Autlán de Navarro, Jalisco. 1994. Página 406 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Fig. 2 Localización del municipio de Autlán de Navarro382 Datos Físicos Geología.- Está considerado dentro del período cuaternario; el subsuelo está constituido por suelos Aluvial, Residual y Lacustre. Topografía.- El municipio se encuentra enclavado en las estribaciones de la Sierra Volcánica Transversal, por lo que su topografía es sumamente irregular. En las partes noroeste y sureste predominan altitudes entre 1,500 y 2,700 metros, disminuyendo en su parte central, en los alrededores de la cabecera, donde varían entre 90 y 1,500 metros. Clima.- Este municipio tiene un clima semiseco con otoño, invierno y primavera secos y semicálidos, sin cambio térmico invernal bien definido. La temperatura media anual es de 23.5°C y tiene una precipitación media anual de 719.8 milímetros. Los vientos dominantes soplan en dirección este. No se registran heladas. Hidrografía.- El municipio se localiza dentro de la cuenca formada por el río Armería, llamada San Pedro o Ayutla en su parte alta y Ayuquila al internarse al norte del municipio, para luego marcar su lindero oriente, siendo la principal corriente con la que cuenta. Secundariamente tiene los arroyos Manantlán, El Profundo y Ahuacapán que corren permanentemente y La Zanja, donde desembocan los canales de riego. Otros como El Jalocote, El Cangrejo, El Coajinque y La Yerbabuena, forman su caudal eventualmente en época de lluvias. 382 Los municipios. 1998.Colección: Enciclopedia de los Municipios de México. Secretaría de Gobernación y Gobierno del Estado de Jalisco. Página 407 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Suelos.- La composición del suelo corresponde a los del tipo Feozem háplico, Vertisol pélico, Andosol, Regosol y Cambisol eútricos. Vegetación.- La vegetación se compone mayoritariamente de pino, huizache, órgano, mezquite, fresno, guamuchil y huizilacate. Fauna.- Entre la fauna, se cuenta con especies como el venado, puma, conejo, güilota, paloma, liebre y lince. Recursos Naturales.- La riqueza natural con que cuenta el municipio está representada por 31,873 hectáreas de bosque donde predominan especies de pino, mezquite, fresno y huizache, principalmente. Sus recursos minerales son yacimientos de cobre, plata, manganeso y barita. Uso del Suelo.- La mayor parte del suelo tiene uso agrícola y la tenencia de la tierra en su mayoría corresponde a la propiedad privada. Medios de Comunicación En lo que respecta a medios de comunicación, se cuenta con servicios de correo, telégrafo, teléfono, fax, radiotelefonía y señales de radio y televisión. Vías de Comunicación La transportación terrestre puede efectuarse a través de la carretera Guadalajara- Barra de Navidad que cruza al municipio en su parte central, comunicándolo con la costa. El municipio cuenta con caminos revestidos, de terracería y brechas que comunican a las localidades con la cabecera municipal. En el municipio existe una aeropista. La transportación foránea se realiza en autobuses directos y de paso. La transportación urbana y rural se efectúa en vehículos de alquiler y particulares. Principales Sectores, Productos y Servicios Agricultura.- Destaca el cultivo de maíz, sorgo, cacahuate y jitomate. Ganadería.- Se cría ganado bovino de leche, carne y para trabajo; porcino, ovino, caprino, equino y diversas aves y colmenas. Industria.- Explotación de cantera, manufacturera y de la construcción. Explotación Forestal.- Se explotan principalmente pino, encino, oyamel y especies tropicales. Página 408 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Turismo.- Existen centros nocturnos y discotecas y de gran tradición como el Casino Autlense. Comercio.- Predominan los giros referentes a la compra-venta y comercialización de artículos diversos, así como los de venta de productos de primera necesidad. Servicios.- Se prestan servicios turísticos, profesionales, financieros, técnicos, personales y de mantenimiento que cubren en buen grado las necesidades del municipio383. ANTECEDENTES Y BASES PARA EL PROYECTO DE LA PLANTA DE BOMBEO. De acuerdo con los costos de operación y mantenimiento de la Planta de Bombeo, costos de suministro e instalación de la Línea de Conducción y en función de la capacidad de la misma, de acuerdo con el cálculo de los volúmenes requeridos para riego en los diferentes meses del año, así como tomando en cuenta las ventajas y desventajas, se concluye seleccionar una Planta de Bombeo con 6 equipos para 140 l.p.s., cada uno (2,219 g.p.m.), para totalizar una capacidad de Planta de Bombeo de 840 l.p.s., de acuerdo con el coeficiente unitario de riego seleccionado de 0.7 l/s/ha., equipados con motores eléctricos verticales, trifásicos, capaces de vencer la carga dinámica total requerida, con la utilización de una línea de conducción de acero al carbón designación ASTM-A-53 GR B, de 3,010 m de longitud aproximada, habiéndose considerado como optimo la localización de la planta en el km. 31+505. Derivado de la observación de cumplir con el análisis de ubicación de dos sitios posibles para la localización de la Planta de Bombeo, durante recorrido de campo efectuado a la zona del proyecto, se pudo observar que el otro sitio probable seria, en el km. 31+505, del Canal Principal Margen Derecha, en donde de acuerdo con la planeación de gabinete, la longitud de la Línea de Conducción, disminuye a 3,010 m. aproximadamente, sin embargo, es importante aclarar que en este sitio la capacidad del canal se reduce de 6.25 m3/s., que se tiene en el km. 28+417 (primer sitio seleccionado) a 5.29 m3/s., teniéndose una reducción de 0.96 m3/s., por lo que se requiere considerar una sobreelevación del tramo de canal, en una longitud de 2.8 km., en las terracerías del canal principal, del orden de 0.50 m, lo cual se analizara en el apartado de obra civil. 383 Secretaría y Promoción y Desarrollo Económico del Gobierno de Jalisco. 1994.Ficha Municipal de Autlán de Navarro, Jalisco. Página 409 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 2.- DATOS GENERALES DEL PROYECTO. Gasto de Diseño de la Planta de Bombeo. 840 l.p.s. Superficie de riego. 1,198 ha. Número de Equipos de Bombeo. 6 equipos Gasto por Equipo de Bombeo. 140 l.p.s. (2,219 gpm) Fuente de Abastecimiento CPMD (KM 31+505) Nivel mínimo de operación en el canal 962.15 m. Nivel máximo de operación en el canal. 963.40 m. Nivel de rasante del canal Nivel de descarga de la línea de conducción. Carga estática. Longitud de Conducción Tipo de Bombas a utilizar 961.65 m 1015.00 m. 52.85 m. 3,010 m. Bombas Verticales, tipo turbina Página 410 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 3.- DIMENSIONAMIENTO DEL CARCAMO DE BOMBEO. Para el dimensionamiento del Cárcamo de Bombeo, tomaremos en cuenta las Normas del “Hidraulic Institute Vertical pump Design And Application.- 1994” considerando los parámetros definidos para los Equipos de Bombeo. Q = Gasto para cada Bomba = 140 L.P.S. (2,219 g.p.m.) Número de Equipos = 6 Equipos. A continuación se anexan las figuras de los arreglos de equipos de bombeo recomendados por el Instituto de Hidráulica para Bombas Verticales, así como las figuras que nos indican el dimensionamiento para cárcamos de Bombeo y Estaciones de Bombeo. Para el dimensionamiento del cárcamo consideramos las siguientes acotaciones: W = 150 cm. (Considerando el ancho del muro) W/2 = 60 cm. (Del centro de la bomba al muro de la mampara) B = 40 cm. a = 15° Y = 300 cm. C = 20 cm. (del colador de la bomba al piso) S = 90 cm. (sumergencia recomendada) (transición en canal de llamada) De lo anterior y considerando el No. de equipos de bombeo, se requiere un cárcamo de 4.0 m. de ancho interiormente y una longitud total de 8.70 m., considerando mamparas divisoras entre equipos de bombeo, tal como se muestra en el plano general mecánico de la planta de bombeo. (Se anexan las hojas con la normatividad para cárcamos de bombeo). Página 411 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4.- DETERMINACION DE LA CARGA DINAMICA TOTAL PARA LOS EQUIPOS DE BOMBEO. C.D.T. = HEST.+ HDIN ; donde: C.D.T. = Carga dinámica total HEST.= Carga estática HDIN.= Carga dinámica La carga estática será: HEST.= 1015.00 m – 962.15 m HEST.= 52.85 m. La carga dinámica se calculara de acuerdo a: HDIN.= hf succión + hf descarga + hf conducción + h vel. Donde: hf succión = Pérdidas por fricción en la succión hf descarga = Pérdidas por fricción en la descarga hf conducción = Pérdidas por fricción en la conducción h vel = Pérdidas por carga de velocidad. Página 412 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4.1.- DETERMINACION DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA DE COLUMNA Y DESCARGA Considerando una velocidad promedio entre 1.5 y 2.5 m/s. recomendada por el Instituto de Hidráulica, tenemos: De la ecuación de continuidad. Q=VxA Donde: Q = Gasto V = Velocidad del fluido A = Área transversal de la tubería. Sustituyendo datos para V = 1.5 m/seg. A A d Q V A (d ) 2 d 0.3446 m A 0.0933m 2 despejando el diametro : 4 4xA 0.140 m 3 / seg 1.5 m / seg d 4 x 0.0933 m d 355.6 mm (14" ) Por lo anterior, la tubería de 355.6 mm. (14”) Φ es la tubería comercial correspondiente para las columnas de bombeo y tuberías de descarga. Página 413 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Para los equipos de bombeo lubricación, aceite, tipo vertical, para un gasto de 140 l.p.s. se propone tubería de columna bridada, de 14” de Φ de columna x 3” de Φ de cubreflecha x 1 15/16” de flecha de transmisión, de acuerdo con los datos técnicos de los fabricantes de bomba (ver anexos) El área efectiva de flujo en la columna de la bomba será; considerando que la tubería de cubreflecha de 3” Φ mide exteriormente, 3.5” Φ, por lo que; así como cedula 20 para la columna. AEFECTIVA (0.340) 2 4 (0.089) 2 4 AEFECTIVA 0.0908 m 2 0.0062 m 2 AEFECTIVA 0.0846 m 2 Recalculando la velocidad tenemos: Q A V 0.140 m 3 / seg V 0.0846 m / seg V 1.65 m / seg V 1.65 m / seg La cual se considera aceptable La carga de velocidad será: hVEL . V2 ; 2g hVEL . (1.65 m / seg ) 2 2 x 9.81 m / seg 2 sustituyen do datos : hVEL 0.138 m.c.a. Página 414 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4.2.- CALCULO DE PERDIDAS POR FRICCION 4.2.1.- Pérdidas por fricción en la succión Considerando succión con campana y colador estándar para el equipo de bombeo. 0.05 x K = 0.05 hf succión = V2 1' 2g hf succión = 0.05 x 0.138 m. + 0.304 m hf succión = 0.311 m.c.a. 4.2.2.- Pérdidas por fricción en la tubería de columna Considerando: Longitud de columna aproximada = 5.0 m Diámetro de la columna = 14” x 3” de diámetro de cubreflecha x 1 15/16” de diámetro de flecha de transmisión. Consultando tablas de perdidas por fricción en tuberías de columna, de acuerdo con los fabricantes de los equipos de bombeo tenemos. Gasto: 140 L.P.S. hf columna = 16.4 pies x 0.738 pies 0.121 pies 100 pies hf columna = 0.121 pies = 0.037 m.c.a. De acuerdo con el diámetro de la tubería de columna y descarga de 355.6 mm (14”) y considerando que el tipo de descarga de los equipos de bombeo, será sobre la superficie propondremos una base soporte con cabezal de descarga de acero estructural para recibir Página 415 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS tubería de columna de 14” de diámetro en la succión x 14” de diámetro de descarga, para lubricación por medio de aceite. 4.2.3.- Perdida por fricción en el codo del cabezal de descarga a 90° 0.5 x hf cabezal de descarga = V2 2g hf cabezal de descarga = 0.5 x 0.138 m hf cabezal de descarga = 0.069 m.c.a. 4.2.4.- Pérdida por fricción en la tubería de descarga Tomando en consideración el tren de válvulas propuesto y el esquema del arreglo de los equipos de bombeo, tomaremos; Longitud promedio aproximada = 10 m (32.8 pies) Diámetro de la tubería = 14” Φ (355.6 mm) hf tubería de descarga = 10 m x 3.28 x 0.738 pies 100 pies hf tubería de descarga = 0.242 pies = 0.074 m.c.a. 4.2.5.- Perdida por fricción en la válvula check (Silent Check) Directamente tomando de tablas del fabricante de las válvulas Silent Check para 14” Φ nominal bridada, con cuerpo de fierro fundido. hf válvula check = 1.0 pie. hf = 0.304 m.c.a. Página 416 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4.2.6.- Pérdida por fricción en la válvula de mariposa de acuerdo con la norma AWWA C504, bridada, con cuerpo de Fofo, de 14” Φ nominal. Consultando tablas de pérdidas para válvulas de mariposa completamente abierta, tenemos: Para válvula bridada, AWWA C504, cuerpo corto, considerándola a 60% de apertura. hf válvula de mariposa = 1.64 pies. hf válvula de mariposa = 0.50 m.c.a. 4.2.7.- Pérdida por fricción en la ampliación de diámetro de la tubería de descarga de la bomba hacia el múltiple de descarga de la bomba (transición). (V1 V 2 ) 2 2g hf transición = V1 = 1.65 m/seg. Para determinar V2 primeramente calcularemos su diámetro de acuerdo con el gasto. 4.2.8.- Determinación del diámetro del múltiple de descarga y línea de conducción. El diámetro del múltiple de descarga, será determinado en función del gasto máximo a conducir. Gasto de 6 equipos de bombeo = 840 l.p.s. Considerando una velocidad de 1.5 m/seg., tenemos: De la ecuación de continuidad: Q=VxA Página 417 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS A 0.840m3 / seg A 0.56 m 2 1.5m / seg (d ) 2 A 4 Sustituyendo el diámetro tenemos: d 4 xA d 4 x0.56m 2 d = 0.844 m El diámetro comercial próximo será: 914 mm (36”) A (0.914) 2 4 0.6561 Recalculando la velocidad tenemos: Q V= A Sustituyendo datos V 0.840m3 / seg 1.28 m / seg 0.6561m 2 La velocidad y el diámetro de 914 mm (36”) Φ serán propuestos para la tubería del múltiple de descarga y línea de conducción, en acero ASTM-A-53 GR.B. Retomando el cálculo de la perdida de carga en la transición hacia el múltiple de descarga de 36”Φ y considerando que la situación crítica será cuando trabaje un solo equipo. Página 418 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS V2 0.140m 3 / seg 0.6561m 2 V2 0.25m / seg Tomando en consideración los límites de velocidad para el diseño de tuberías o líneas de conducción relativamente largas; para el barrido del aire que se acumule en el interior de la tubería y remoción de sedimentos, se recomienda que los límites de velocidad sean como mínimo de 0.5 m/seg. y entre 1.5 y 2.5 m/seg. V para 2 equipo de bombeo = 0.5 m/s. (Aceptable) Como podemos observar, si se disminuye el diámetro de la tubería de conducción, se incrementa la velocidad y en consecuencia, las perdidas por fricción. Por lo anterior la determinación final del diámetro de la tubería del múltiple de descarga y línea de conducción será considerar tubería de acero ASTM-A-53GRB, de 914 mm (36”) Φ, considerando que para proporcionar el volumen de agua requerido en los diferentes meses del año, en todos los casos se requieren de cuando menos dos equipos de bombeo operando. (V1 V2 ) 2 hf transición 2 xg Sustituyendo datos: (1.65m / seg 0.5m / seg 2 )2 hf transición 2 x9.81m / seg 2 hf transición 1.15 19.62 hf transición 0.059m.c.a. 4.2.9.- Pérdida por fricción en el cambio de dirección a 45° en la transición de la descarga de la bomba, con el múltiple. Kx hf45° = V2 2g considerando la carga de velocidad de la bomba tenemos: Página 419 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS K= 0.320 hf45° = 0.320 x 0.138 m.c.a. hf45° = 0.044 m.c.a. 4.2.10.- Perdidas por fricción en el múltiple de descarga. La longitud del múltiple de descarga, es de 15 m aproximadamente. De acuerdo con las tablas del Manual de Hidráulica basadas en la formula de Darcy. Para la tubería de 0.914 m (36”) Φ nominal, de acero. Para un gasto máximo de 840 l.p.s. (13,314 g.p.m.) hF= 0.126 pies por cada 100 pies de tubería. hf 15.0mx3.28 piesx 0.126 pies 100 pies hf 0.062 pies 0.019m.c.a. 4.2.11.- Perdida por fricción en el codo a 45 °, del múltiple de descarga, estando en operación los 6 equipos de bombeo. Para los codos de 45° K = 0.320 ; V = 1.28 m/seg. Página 420 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS hf 45 o 0.320 x (1.28m / seg ) 2 2 x9.81m / seg 2 hf 45o 0.027m.c.a. 4.2.12.- Perdidas por fricción en la tubería de conducción de 36” de diámetro (914 mm) De acuerdo con las tablas del manual de hidráulica basadas en la formula de Darcy. Para la tubería de 0.914 m (36”) diámetro nominal, de acero para un gasto máximo de 840 l.p.s. (13,314 g.p.m.), considerando una longitud de 3,010 m. de longitud aproximada. Hf = 3,010 x 3.28 x 0.126 pies = 12.44 pies 100 pies 3.80 metros 4.2.13.- Perdidas por fricción en los cambios de dirección horizontales y verticales de la tubería de conducción de acero de 36” Φ. Considerando para la línea de conducción para fines de cálculo de pérdidas por fricción 17 codos de las siguientes deflexiones: 1.- 15° (4 codos) 2.- 30° (6 codos) 3.- 45° (7 codos) Para un gasto de 840 l.p.s. Página 421 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Para los codos de 45° K = 0.320 ; hf 45 o 0.320 x V = 1.28 m/seg. (1.28m / seg ) 2 2 x9.81m / seg 2 hf 45o 0.027m.c.a.x7codos 0.187m.c.a. Para los codos de 15° K = 0.062 ; V = 1.28 m/seg. hf 15 o 0.062 x (1.28m / seg ) 2 2 x9.81m / seg 2 hf 15o 0.0052m.c.a.x4codos 0.020m.c.a. Para los codos de 30° K = 0.154 ; V = 1.28 m/seg. (1.28m / seg ) 2 hf 15 0.165 x 2 x9.81m / seg 2 o hf 15o 0.014m.c.a.x7codos 0.096m.c.a. Por lo anterior la pérdida por fricción total considerada para los cambios de dirección será: hF CAMBIOS DE DIRECCION = 0.303 m.c.a. Página 422 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 4.2.14.- Perdida por fricción en la válvula de charnela de 36” de diámetro nominal. K = 1.05 ; V = 1.28 m/seg hfcharnela 1.05 x (1.28m / seg ) 2 2 x9.81m / seg 2 hfcharnela 0.088m.c.a. De tablas de Byron Jackson Pump División, se encontró una perdida por fricción de 0.320 mca, por lo cual será considerada como critica. Por lo anterior la carga dinámica total considerando tubería de conducción de acero, de 36”Φ (0.914 m) Φ nominal, ASTM-A-53 GR B, será: C.D.T. = 52.85 m + 0.138 m + 0.311 m + 0.037 m + 0.069 m + 0.074 m + 0.304 m + 0.50 m + 0.059 + 0.044 m + 0.019 m + 0.027 + 3.80 m + 0.303 + 0.320 m = 58.85 m C.D.T.= 59.0 m.c.a. (CARGA DINAMICA TOTAL DE LAS BOMBAS) 5.0.- CALCULO DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES ELECTRICOS. Potencia para la C.D.T. = 59.0 m.c.a. ; Eficiencia de la bomba η = 84% Eficiencia del motor η = 95% Página 423 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS BHP Q( L.P.S .) xC.D.T .(m.c.a.) 76 x0.84 x0.95 Sustituyendo valores: BHP 140( L.P.S .) x59.0m 76 x0.79 BHP = 137.6 H.P. BHP = 137.6 H.P., requeridos por la bomba. El motor comercial será de 150 H.P. F.S. 1.0 Por lo anterior observamos que se utilizarían motores eléctricos de 150 H.P., 440 volts, 60 Hz, con factor de servicio (F.S.) = 1.0, a 1800 RPM. 6.0.- DETERMINACIÓN DEL TIPO DE EQUIPO DE BOMBEO Calculo de la velocidad específica La velocidad especifica puede ser definida como la velocidad en revoluciones por minuto al cual un impulsor operaria si se redujera proporcionalmente en tamaño, al proporcionar un gasto de un galón por minuto contra una carga dinámica total de un pie. La velocidad específica es usada para clasificar los impulsores en base a su comportamiento y proporciones no importando su tamaño o la velocidad a la cual opere. En la práctica la velocidad específica es un número o factor por medio del cual se puede saber el tipo de flujo requerido en un impulsor (radial, axial o mixto) y este relaciona, la velocidad Página 424 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS de rotación (rpm), la cantidad de flujo (gpm) y la carga desarrollada por una bomba, su expresión es la siguiente: Ns RPM x G.P.M . H 3/ 4 Donde : R.P.M. = Revoluciones por minuto a que gira la bomba G.P.M. = Gasto de la bomba en galones por minuto H= Carga por paso en pies Considerando las condiciones dadas para la planta con 6 equipos de bombeo, para 140 l.p.s. contra una carga dinámica de 69.00 m (226 pies), considerando que el equipo de bombeo que resulte opere a 1800 r.p.m. y sea de dos etapas. Sustituyendo datos: Ns 1800 x 2,219 G.P.M . (97) 3 / 4 NOTA: La carga utilizada en la formula es por paso. Ns 84791 Ns 2,744 30.9 De acuerdo con la velocidad específica calculada anteriormente, encontramos que de acuerdo con los rangos de velocidad específica, el equipo de bombeo recomendado para esta P.B. será de tipo turbina, vertical, con impulsor semiabierto. Por lo anterior el tipo de equipo seleccionado para los equipos de bombeo (tipo turbina vertical) que se pretenden instalar en el cárcamo de bombeo que resulto del análisis de alternativas, se seleccionaran de acuerdo con las condiciones de gasto, carga, calidad del agua, disposición del equipo, mantenimiento y seguridad de operación, en donde la fuente de alimentación es un canal a cielo abierto. A continuación se realizara una revisión y selección del equipo de bombeo más conveniente de acuerdo con los diferentes fabricantes de bombas verticales nacionales, seleccionando, la que proporcione los parámetros hidráulicos y la mayor eficiencia. Parámetros hidráulicos requeridos: Página 425 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS C.D.T. = 59.0 m = 194 pies Gasto = 140 l.p.s. = 2,219 g.p.m. Eficiencia mínima requerida 83% De acuerdo con el análisis efectuado a diferentes marcas de equipos de bombeo confiables y de fabricación nacional, encontramos que la bomba que cumple con los parámetros de gasto, carga y eficiencia es la siguiente: Datos del equipo de bombeo seleccionado Gasto: Carga dinámica total. 140 l.p.s. (2,219 g.p.m.) 59.0 m (194 pies) Eficiencia 85 % Tipo: Vertical de tipo turbina Velocidad 1760 R.P.M. No. de pasos. 4 etapas Modelo: 14D-220 NPSHR. 5.40 m. (17.74 pies) Sumergencia recomendada: Thrust Constant: 1.20 m. (44”) 21.0 Flecha del cuerpo de Página 426 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 51.0 mm. (2”) Tazones Cubreflecha de la bomba: 76.2 mm. (3”) Tubería de columna bridada. 355.6 mm. (14”) Las dimensiones y pesos de los equipos de bombeo y motores eléctricos, se consideraron en el plano mecánico denominado “Plano de Características de los equipos de Bombeo (De concurso)”. Se anexan las curvas del sistema e individual y su hoja de características, de acuerdo con el fabricante Wortington de México. 7.- CALCULO DEL No. DE POLOS DEL MOTOR ELECTRICO Datos del motor eléctrico. Potencia: 150 H.P. Factor de servicio: 1.0 No. fases: 3 fases Tensión: 440 volts Frecuencia: 60 Hz Velocidad del motor: 1800 r.p.m. 120 x 60 Hz No. de polos = 1800 r. p.m. Página 427 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS No. de polos = 4 polos No se consideraran resistencias calefactores para los motores de acuerdo con el clima y tipo de ambiente que prevalece en la región, sin embargo si se deberán considerar sensores de temperatura en baleros y devanados. 8.- CALCULO DEL NPSHD Y NIVEL CRÍTICO DE CAVITACION PARA LOS EQUIPOS DE BOMBEO DE 140 L.PS. Y 59.0 M.C.A. DE CARGA DINAMICA TOTAL. La carga neta positiva de succión disponible (NPSHD) es la energía necesaria para que el fluido llegue al ojo del impulsor. NPSHD = Patm - hv + h’s - hfs Donde: Patm. = Presión atmosférica a la altitud de la instalación. Hv = Presión de vaporización del agua a la temperatura de bombeo. h’s = Carga de succión positiva hfs = Perdidas por fricción en la succión. hfs = 0.311 m.c.a. Patm = Considerando la instalación de los equipos a la elevación. 964.50 msnm. Patm = 67.3 cm Hg 76.0 cm Hg = 1.03 kg/cm2 Página 428 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Patm = 0.912 kg/cm2 = 9.12 m.c.a. Hv = presión de vaporización considerando una temperatura del agua de 21°C (70° F) Hv = 0.36 PSI = 0.83 pies = 0.254 m.c.a. NPSHR = de la curva del fabricante. NPSHR = 17.74 pies = 5.40 m.c.a. NPSHD = 9.12 m – 0.254 m + h’s – 0.311 m considerando la carga de succión positiva h’s = 1.50 m, superior a la sumergencía recomendada por el fabricante (44”) NPSHD = 10.05 m > 5.40 m. por lo anterior OK. Considerando la condición crítica de cavitación tenemos: NPSHR = NPSHD por lo tanto: NPSHR = Patm. – hv + h’s – hfs sustituyendo valores h’s = NPSHR – Patm. + hv + hfs h’s = 5.40 m.c.a. – 9.12 + 0.254 m.c.a. + 0.311 m.c.a. h’s = - 3.16 m.c.a. Lo anterior nos indica que el NPSHD es mayor que el NPSHR de la bomba, suficiente para que esta opere en forma adecuada, sin presencia de cavitación lo cual si se cumple en este diseño. Página 429 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 9.- CALCULO DEL EMPUJE TOTAL DEL EQUIPO DE BOMBEO TIPO TURBINA VERTICAL MODELO: 14D-220, DE 4 ETAPAS A 1760 R.P.M. Empuje hidráulico = C.D.T. (ft) x constante de empuje Empuje hidráulico = 194 pies x 21.0 Empuje hidráulico = 4,074 libras = 1,843 kg Empuje total = Empuje hidráulico + longitud de columna x peso/pie de flecha + No. de pasos x (peso del impulsor) Datos: flecha = 1-15/16”, peso = 10.67 Lb/pies La longitud de la columna de la bomba será de 5.0 m. aproximadamente. Longitud de columna = 5.0 m aprox. = 16.4 pies Peso del impulsor = 35.0 Lbs. No. de pasos = 4 pasos; Sustituyendo datos. Empuje total = 4,074 Lb + 16.4 pies x 10.67 Lb/pies + 4 x 35.0 Lb Empuje total = 4,389 Lb = 1,986 kg. Nota: La constante de empuje y el peso de los elementos rotatorios, fueron tomados del fabricante del modelo seleccionado. Página 430 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 10.- METODO DE SELECCION DE VALVULAS DE ADMISION Y EXPULSION DE AIRE PARA EQUIPOS DE BOMBEO. Dos importantes funciones deben de considerarse cuando se va a vaciar o llenar la tubería de descarga de un equipo de bombeo. 1.- La expulsión de aire contenido en una tubería cuando se arranca una bomba de pozo profundo o cárcamo. 2.- La admisión de suficiente cantidad de aire en una tubería cuando se va a vaciar y en la tubería de la columna cuando se va a parar un equipo, en este caso prevenir un vacío excesivo que pueda determinar o colapsar ambas tuberías. Primeramente se determinara el gasto máximo en pies cúbicos por segundo que pueda ocurrir en dicho gradiente, ya sea durante el vaciado o llenado de la línea de conducción. Para calcular el gasto en pies cúbicos por segundo en un sistema de bombeo. P.C.S . P.C.S . G.P.M . de la bomba 449 2,219 G.P.M . 449 Q = 140 l.p.s. Q = 2,219 g.p.m. P.C.S . 4.94 ft 3 / seg Para determinar el diámetro mínimo permisible de la válvula capaz de expulsar aire en pies cúbicos por segundo se deberá tomar una presión diferencial como máximo de 0.14 kg/cm2 (2 p.s.i.), con la cual entraremos en la gráfica correspondiente. Para determinar el diámetro mínimo capaz de admitir aire en pies cúbicos por segundo se determinara tolerando una presión diferencial máxima de 0.35 Kg. /cm2 (5 p.s.i.) con la cual entraremos en la gráfica correspondiente. Como podemos observar en la gráfica de selección de las válvulas de admisión y expulsión de aire, para el caso de los equipos de bombeo tipo vertical, el diámetro critico es para la situación de expulsión de aire, por lo tanto se seleccionara una válvula de admisión y expulsión de aire de 76.2 mm (3”), combinadas con eliminadoras de aire, marca Vamex o equivalente en la salida del cabezal de descarga de cada equipo de bombeo. Página 431 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Si la línea de conducción es llenada o vaciada por gravedad. P.C.S. 0.08666 x S x D 5 Donde: S 52.85 m S 0.0175 3010 m P.C.S . 0.08666 x 0.0175 x 60466176 P.C.S . 89.15 Por lo anterior instalaremos válvulas de admisión y expulsión de aire combinadas con eliminadoras de aire de 101.6 mm (4”) de diámetro, las cuales quedaran ubicadas, una en el múltiple de descarga y en la línea de conducción en acero de 36” de diámetro nominal, asimismo se considerara una tubería de aeración de 102 mm (4”) de diámetro, instalada en el tramo de tubo que acoplara con la válvula de charnela en la descarga de la conducción. De acuerdo con el perfil del terreno natural las válvulas de admisión y expulsión de aire, combinadas con eliminadoras de aire automáticas, se localizarán en las estaciones: 0+400, 0+620, 1+000, 1+500, 2+000, 2+500, 2+760, 2+840 y 2+940. 11.- CALCULO DE LA SOBREPRESION POR GOLPE DE ARIETE EN LAS TUBERIAS DE DESCARGA Y CONDUCCION DE LA P.B. Datos: Carga dinámica total de los equipos de bombeo Diámetro nominal de la tubería de descarga de 59.0 m (194 pies) los equipos de bombeo. 355.6 mm (14” ) Diámetro nominal de la tubería de conducción 762 mm ( 36” ) Página 432 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Longitud promedio de las tuberías de descarga de los equipos de bombeo. 10.0 m Longitud de la tubería de conducción de la P.B., en acero. 3,010 m (aprox.) Velocidad en la tubería de descarga 1.65 m/seg Velocidad en la tubería de conducción 1.28 m/seg T hi 2 x L Donde: L = Longitud de la tubería a = Celeridad de la onda a 145 x V 1 Ea x Di Et x e Para la tubería de conducción. Donde: Ea = Módulo de elasticidad del agua 20,700 kg/cm2 Et = Módulo de elasticidad del acero 2.1 x 106 kg/cm2 V = Velocidad del agua en la tubería Di = Diámetro interior de la tubería 1.28 m/seg. 35-1/4” (89.53 cm) e = Espesor propuesto 3/8” (0.95 cm) Para el caso de la tubería de conducción tenemos: Página 433 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS hi hi hi 145 x 1.28 m / seg 20,700 kg / cm 2 x 89.53 cm 1 2.1 x 10 6 kg / cm 2 x 0.95 cm 185.6 1853271 1 1995000 185.6 1.3888 hi 185.6 1.9289 hi 133.64 m.c.a. Revisando la carga de trabajo que soportan las tuberías de acero comerciales de 36” y 9.5 mm (3/8”) de espesor. hTRABAJO = 264 m.c.a. > 133.64 m.c.a. Por lo anterior la tubería propuesta es adecuada para el trabajo que realizará, sin embargo se revisará por presiones dicho espesor de tubería. e PT x D c 2 fs Donde e = Espesor de tubería Página 434 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS PT = Presión máxima total de trabajo kg/cm2 D = Diámetro interior de la tubería 74.29 cm fS = Esfuerzo permisible del acero 1519 kg/cm2 c = Espesor adicional por corrosión 2.5 mm PT = 5.28 kg/cm2 (carga estática) + 13.5 kg/cm2 (Pi) PT = 18.78 kg/cm2 e Sustituyendo datos: 18.78 kg / cm 2 x 89.53 cm 0.25 cm 2 x 1519 kg / cm 2 e 0.80 cm Por lo anterior e = 9.5 mm. > 8.0 mm. Disponible Requerido Por lo anterior podemos observar que el espesor disponible es mayor al espesor requerido. Para el caso de las tuberías de descarga tenemos: Página 435 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS hi 145 x V 1 Ea x Di Et x e Donde: Ea = Módulo de elasticidad del agua 20,700 kg/cm2 Et = Módulo de elasticidad del acero 2.1 x 106 kg/cm2 V = Velocidad del agua en la tubería 1.65 m/s. 13-1/2” (34.29 cm) Di = Diámetro interior de la tubería 1/4” (0.635 cm) e = Espesor propuesto Sustituyendo datos tenemos: 145 x 1.65 m / seg hi 1 hi hi 20,700 kg / cm 2 x 34.29 cm 2.1 x 10 6 kg / cm 2 x 0.635 cm 239.25 709803 1 1333500 239.25 1.237 hi 239.25 1.532 hi 193.4 m.c.a. Revisando la carga de trabajo que soporta las tuberías de acero comerciales de 14” y 6.35 mm (1/4”) de espesor. hTRABAJO = 453 m.c.a. > 193.4 m.c.a. Por lo anterior la tubería propuesta es adecuada para el trabajo que realizará, sin embargo se revisará por presiones dicho espesor de tubería. Página 436 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS e PT x D c 2 fs Donde e = Espesor de tubería PT = Presión máxima total de trabajo 24.62 kg/cm2 D = Diámetro interior de la tubería 34.29 cm fS = Esfuerzo permisible del acero 1519 kg/cm2 c = Espesor adicional por corrosión 2.5 mm PT = 5.28 kg/cm2 (carga estática) + 19.34 kg/cm2 (Pi) PT = 24.62 kg/cm2 e Sustituyendo datos: 24.62 kg / cm 2 x 34.29 cm 0.25 cm 2 x 1519 kg / cm 2 e 0.52cm Por lo anterior, observamos que la tubería está bien seleccionada en cuanto al espesor de 6.35 mm (1/4”). Por lo anterior se requiere para las tuberías de descarga, designación ASTM – A - 53 GRB (API- GRADO B), de 355.6 mm (14”) nominal, cédula 10, 6.35 mm (1/4”) de espesor. Página 437 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 12.- SELECCIÓN DE VALVULA ALIVIADORA DE PRESION CONTRA GOLPE DE RIETE Para la selección de la válvula es importante aclarar que se considerara la selección de válvula de alivio de presión contra golpe de ariete, la cual se considerará instalar en la parte final del múltiple de descarga. Para seleccionar el diámetro de una válvula de alivio, debe considerarse el gasto máximo posible que puede ocurrir en sentido inverso al parar la bomba (por efecto de gravedad). Este gasto dependerá de la longitud de tubería, diámetro, diferencia de cotas de nivel entre la descarga de la bomba y el tanque de descarga, Datos: D = Diámetro de la tubería de conducción 914.4 mm (36”) L = Longitud de tubería de conducción 3010 m aprox. HE = Carga estática 52.85 m (entre la descarga de bomba y el tanque) S = Pendiente S HE L 0.0165 S ( pendiente ) 52.85 m 3,010 m S 0.0175 El gasto de retorno es obtenido mediante la siguiente fórmula. Página 438 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS QR 2.45386 SD 5 QR 2.45386 (0.0175) (36" ) 5 QR 2.45386 (0.0175) (60466176) QR 2524 lts / seg Tomando en consideración que se utilizó en cada tren de descarga de las bombas, válvulas check del tipo Silent Check y que la tubería está calculada para resistir al 100% el golpe de ariete, así como que se utilizaran variadores de frecuencia en los equipos de bombeo, por lo que seleccionando la válvula de alivio de presión contra golpe de ariete para protección del sistema, considerando el 30% del gasto de retorno como alivio de presión mientras se estabiliza la presión en la tubería, la cual absorberá el 70% restante en caso critico. 30% Qr = 757 lps. Consultando el catalogo del fabricante de válvulas de control Vamex, tenemos: La válvula aliviadora de presión contra golpe de ariete de 14” de diámetro nominal, tiene una capacidad de alivio de hasta 1200 lps. en flujo máximo intermitente, bridada y de clase 125. Los materiales de construcción de la válvula serán: Cuerpo y Tapa Semiacero ASTM-A-126 CL.B Interiores, pilotos, accesorios: Acero inoxidable T-316 Bronce ASTM-B-62 Hierro Maleable Diafragma Neopreno con alma de Nylon Sello: Buna – Nitrilo Las condiciones de operación de la válvula aliviadora de presión serán las siguientes: deberá de accionarse cuando los equipos de bombeo estén en Operación y paren; cuando operen un Página 439 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS solo equipo de bombeo y este pare, cualquiera de ellos, pero cuando un grupo de equipos estén operando y uno de ellos pare, la válvula correspondiente no deberá accionarse. Y finalmente cuando uno (s) equipos estén operando y ocurra una desenergización, la válvula deberá de operar. 13.- CALCULO DE LA PLACA BASE PARA LOS EQUIPOS DE BOMBEO P = 5,882 Kg t1 900 mm Considerando: t1 3 P 3 P t12 2 4 t1 4 3 P 1 3P t1 4 2 Datos: Página 440 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS P = 5,882 Kg (13,000 Lb) = 0.6 x Spy para acero ASTM-A-36 Syp = 36,000 P.S.I. Por lo que = 0.6 x 36,000 PSI = 21,600 lbs. /pulg2 Sustituyendo datos en la fórmula: t1 1 2 3 x 13,000 lbs 21,600 lbs / pu lg 2 t1 1 1.8055 2 t1 = Espesor de la placa base = 0.671” = 17.06 mm x 1.25 t1 = 21.33 mm Por lo anterior la placa base propuesta para los equipos de bombeo, será fabricada en acero estructural ASTM-A-36 de 25.4 mm (1.0”) de espesor y 0.9 m x 0.9 m. Página 441 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS 14.- CALCULO DEL BASTIDOR SOPORTE DEL EQUIPO DE BOMBEO Datos: Peso del motor eléctrico 650 Kg Peso estimado del equipo de bombeo 1570 Kg Empuje total de la bomba 1986 Kg Peso del agua contenida en la columna Peso total aprox. 500 Kg 4,706 Kg x 1.25 = 5,882 kg. Kg (para fines de cálculo) Considerando un sistema de vigas apoyado en los extremos, para cada equipo de bombeo. P = 5,882 kg Considerando 2 vigas principales R1 R2 120.0 cm Considerando del diagrama de momentos M max PxL 4 Página 442 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS El momento máximo estará dado por: M max 2941 kg x 120. 88,230kg / cm 4 Considerando la deflexión máxima como: SMAX = 120.0 cm / 1000 SMAX = 0.12 cm Tomando en consideración las características de diseño 6 1000 kg / cm 2 1500 kg / cm 2 E 2.1 x 10 6 kg / cm 2 Con estos datos podemos definir las características de las vigas principales área P 2,941 kg 2.94 cm 2 2 6 1000 kg / cm El modulo de sección (S) será: S M MAX / 88,230 Kg cm 58.82 cm 3 1500 kg / cm 2 Página 443 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS El momento de inercia (I) será: I P x L3 48 E S MAX Sustituyen do datos : 2,941 kg x (120) 3 I 48 x 2.1 x 10 6 kg / cm 2 x 0.12 cm I 5082048000 12096000 I 420.14 cm 4 Con los datos anteriores se procederá a seleccionar las vigas IPR requeridas para la fabricación del bastidor. Se observa de tablas que la viga IPR DE 6” x 4” y 17.9 Kg. /m cumple con las condiciones de carga, cubriendo ampliamente el momento de inercia y el módulo de sección. Viga calculada Viga selecionada IPR de 6” x 4” y 17.9 kg/m S = 58.82 cm3 S = 120.00 cm3 I = 420.14 cm4 I = 920 cm4 Con las vigas secundarias seleccionaremos un perfil tipo CPS de 6” x 15.63 kg/m (Estándar) 15.- CALCULO DE LA CAPACIDAD DEL MECANISMO ELEVADOR DE LA COMPUERTA DESLIZANTE DE FIERRO FUNDIDO DE 0.91 M X 0.91 M. Capacidad del mecanismo = Ff + Wc + Wv Ff = Fuerza de fricción originada por el empuje sobre la hoja de la compuerta. Página 444 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Wc = Peso de la hoja de la compuerta en kg. Wv = Peso del vástago en kg. Si consideramos una compuerta de fierro fundido de 0.91 m x 0.91 m con una carga máxima de 3.25 m. 3.25 m p = 0.23 kg/cm2 p = 0.33 kg/cm2 Empuje = 0.33 kg/cm2 + 0.23 kg/cm2 x 91 cm x 91 cm 2 Empuje = 2,319 kg. Considerando un coeficiente de fricción de 0.35, considerando una compuerta de fierro fundido por lo que la fuerza de fricción será: Ff = 2,112 kg x 0.35 Página 445 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Ff = 740 kg. El peso de la hoja de la compuerta de acuerdo con el plano tipo, Wc = 133 kg. El peso del vástago (2”) de diámetro, en acero ASTM-A-108 GR.1018, con una longitud aproximada de 5.0 m. Wv = 16.0 kg/m x 5.0 m. Wv = 80.0 kg. CAPACIDAD DEL MECANISMO ELEVADOR = 740 kg + 133 kg + 80 kg. CAPACIDAD DEL MECANISMO ELEVADOR = 953.0 kg. Por lo anterior observamos que se requiere un mecanismo elevador de operación manual con capacidad para 740 kg. a 1035 Kg., de acuerdo con el plano tipo TM-C-121. HOJA DE DATOS CARACTERISTICAS DE LA BOMBA CLIENTE : REFERENCIA CLIENTE : ARTICULO NUMERO : SERVICIO : CANTIDAD DE BOMBAS : Cotización No. : Tamaño de bomba : Etapas : Según el numero de la curva: Fecha ultima guardado : PB 2 AUTLAN 1198HA 6 14D-220 4 VTP-14D-220-1760 20 Mar 2008 10:23 PM CONDICIONES DE OPERACIÓN Caudal nominal : 140.0 l/s Altura, rated (requerido) : 59.00 m Página 446 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Altura, rated (efectiva) Presión de succión, diseño/máx. NPSH disponible, Diseño Frecuencia : 58.67 m : 0.00 / 0.00 psi : Amplio : 60 Hz RENDIMIENTO Velocidad de la bomba, nominal : 1,760 rpm Diámetro impulsor, nominal : 8.40 in Diámetro impulsor, máximo : 8.88 in Diámetro impulsor, mínimo : 7.75 in Eficiencia : 85.82% NPSH requerido / margen requerido : 17.74 / 0.00 ft Velocidad especifica / Velocidad especifica : 4,365 / 9.295 Unidades de succión : US Caudal estable continuo mínimo : 42.01 l/s Altura, diámetro máximo, nominal : 110.6 m Aumento de la altura de elevación con flujo : 87.48% de impulsión cerrado Caudal, punto de mejor rendimiento (PMR) : 140.7 l/s Relación de caudal (nominal / PMR) : 99.52% Relación de diámetro (nominal / máximo) 94.56% Relación de altura (diam. Nominal / diam. 85.99% máximo) Coeficientes de viscosidad (CQ / CH / CE) : 1.00 / 1.00 / 1.00 Condición de selección : Aceptable LIQUIDO Tipo de liquido : Agua También conocido como : Diámetro máximo de los sólidos : 0.00 in Temperatura máxima : 68.00 F Densidad del liquido, nominal / máx. : 0.998/0.998 Peso esp. Viscosidad, diseño : 1.00 cP MATERIAL Material requerido : Auto Material Seleccionado : Castiron. Bronze fitted DATOS DE PRESION Presión máxima de trabajo : 157. 1 psi Página 447 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Máxima presión de operación : 400. 0 psi permisible Limite de presión de succión : N/A Presión de prueba hidrostática : N/A DATOS UNIDAD MOTRIZ & POTENCIA. Margen sobre el criterio de potencia : Potencia nominal Margen de prestación : 0.00% Factor de servicio : 1.00 Potencia, hidráulica : 108 hp Potencia, nominal : 126 hp Potencia, diámetro máximo, nominal : 130 hp Potencia mínima recomendada de : 150 hp / 112 KM motor Fig. 3 Curva característica de la bomba. Página 448 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO HIDROMECANICA Y ENERGIAS ALTERNAS Página 449
