Universidad Abierta y a Distancia de México Alejandro Penagos López ES172020087 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos M. en C. Ing. Javier Hernández Pérez ER-EDSH-2102-B1-001 “Variables en los sistemas hidráulicos” 23/07/21 Introducción La empleabilidad de un sistema hidráulico puede ser tan diversa como sus componentes todo depende del tipo de aplicación que se le pretende dar al sistema, teniendo en cuenta que un sistema hidráulico puede funcionar tanto en la transferencia de energía hacia un fluido como en la generación de energía gracias a un fluido. En nuestra vida cotidiana somos en gran medida dependientes de este tipo de sistemas en diversas y complejas actividades que realizamos diariamente y que tal vez no tomamos en cuenta. Algunos ejemplos son; el suministro de agua potable desde el sistema publico de distribución, el bombeo de agua potable desde cisternas a los contenedores elevados de edificios departamentales y rascacielos, los sistemas de desazolve que actúan cuando se presentan inundaciones, la generación de electricidad en centrales hidroeléctricas mediante turbinas, el manejo de vehículos con sistemas de dirección hidráulica que los vuelve más suaves y fáciles de controlar, etc. Teniendo en cuenta la diversidad de aplicaciones y funcionalidades que tiene un sistema hidráulico es importante definir sus componentes y el propósito de cada uno de ellos para entender su fundamento. En este trabajo se presenta un reporte que analiza en primer lugar los componentes y características de un sistema de bombeo de agua para uso domestico y en segundo lugar las características principales de las turbinas hidráulicas. 2 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 Características de un sistema de bombeo para uso doméstico. Este tipo de sistema hidráulico se utiliza para transferir energía a un fluido, que en el caso de uso doméstico es el agua potable, dicho fluido viene de la red de suministro pública las características que tiene este tipo de bombas están relacionadas a la carga neta que se necesita satisfacer en función del desnivel desde donde se succiona el agua hasta donde se descarga teniendo en mente el trayecto de la tubería empleada, los diámetros, conexiones, vueltas, distribuciones y coples empleados así como la presión que debe desarrollar la bomba para transmitir energía al fluido. Si bien una caracterización generalizada de estos dispositivos es posible no se puede definir como el estándar para todo uso domestico pues las variables de altura, entrada de fluido, salida de fluido y condiciones de la tubería van a afectar directamente en las características especificas de cada bomba de uso doméstico. Bombas cinéticas. Este tipo de sistemas hidráulicos se caracterizan por agregar energía al fluido cuando lo aceleran con la rotación de un impulsor. El fluido se lleva al centro el impulsor y después es lanzado hacia afuera por las aspas, al salir pasa por una voluta en forma espiral donde baja en forma gradual y ocasiona que parte de la energía cinética se convierta en presión del fluido. Dentro de la categoría de las bombas cinéticas podemos encontrar las bombas de chorro que son generalmente empleadas en el uso doméstico gracias a que su potencia y presión generadas son suficientes para las necesidades de flujo volumétrico demandadas y la presión requerida en el uso diario de un hogar. Bombas de chorro. Están compuestas por una bomba centrifuga junto con un ensamble de chorro o eyector. Su configuración depende de la profundidad del pozo o cisterna de donde se succiona el fluido. Para desniveles de más de 6m se utiliza una doble tubería; una de presión que bombea agua hacia abajo a una boquilla generando vacío tras de si el cual ejerce un efecto de succión en la segunda tubería que extrae el agua del pozo, esta corriente pasa por un difusor que disminuye la velocidad del fluido y aumenta su presión, luego el agua es conducida al impulsor que la mueve hacia la tubería de descarga. Cuando el desnivel es menor a 6m solo es necesaria una tubería de succión y la de presión queda anulada. 3 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 Componentes. - Motor. Eje de transferencia de potencia. Impulsor. Eyector/difusor. Carcasa. Cojinetes. Entrada y salida de bomba. Pichancha/cebador. Tuberías de succión, presión y descarga. Bomba centrifuga, tomado de: www.seguas.com Tipos de sistema de control de encendido. Arranque manual. Este sistema funciona mediante un interruptor de corriente que permite cerrar el circuito y transmitir la corriente eléctrica al motor que transfiere la fuerza mecánica hacia la bomba, solo consta de una botonera o apagador que abre y cierra el circuito de forma manual cuando se requiera bombear el fluido. Autoarranque. Bajo condiciones adecuadas en el puerto de succión esto es cuando la fuente de fluido queda sobre la línea central del impulsor permitiendo que llene el puerto de succión y mantenga así un lleno constante de fluido en la tubería de succión se puede hablar de sistemas de control de autoarranque que se activan cuando un sensor envía la señal de cerrar el circuito para encender el motor y arrancar la bomba en esas condiciones, esta señal puede depender de varios factores que van desde el nivel de llenado de una cisterna hasta el nivel de vaciado de un contenedor. Tipos de bomba. Dependiendo del tipo de difusor y su interacción con el impulsor las bombas centrifugas de uso domestico se pueden clasificar en tres distritos tipos: 1. De flujo radial. Son aquellas cuyo diseño, propicia que la dirección del fluido al momento de ser bombeado a través del impulsor tome una ruta perpendicular respecto al eje del difusor. Eje del difusor 4 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 2. De flujo axial. Son aquellas bombas cuyo diseño, permite un flujo cuya dirección es paralela al eje del impulsor. Eje del difusor 3. De flujo mixto. Este tipo de bombas permiten que la dirección del fluido al momento de ser bombeado tome un ángulo tangencial respecto del eje del impulsor que normalmente es de 45°. Eje del difusor Tipos de tubería. Para uso domestico y siendo el agua el fluido en cuestión el tipo de tubería normalmente es de materiales inertes y de buena resistencia a la oxidación, como lo es el cobre, también se ha incluido el uso de tuberías hechas a base de polímeros de alta resistencia que son inocuos y permiten el flujo con baja fricción del agua. Para sistemas de uso doméstico podemos encontrar tres tipos de tubería: - Tubería de succión. Tubería de presión. Tubería de descarga. Sensores para la automatización del sistema. Estos elementos periféricos que se agregan al sistema hidráulico doméstico normalmente tienen la función de facilitar y reducir el esfuerzo humano para controlar y manipular el sistema hidráulico de forma parcial o en su totalidad. 5 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 Podemos encontrar sensores que fungen como indicadores del sistema, proporcionando datos como: presión, temperatura, salinidad, entre otras variables del agua. También están aquellos sensores que controlan directamente funciones esenciales del sistema como es el arranque, apertura y cierre de válvulas. A continuación, se mencionan algunos de ellos: - Electro nivel. Este sensor funge como controlador de arranque en el sistema hidráulico, se basa en un dispositivo compuesto por un flotador y un circuito que se cierra y se abre en función del nivel de agua que detecte el flotador. Así cuando se instala es capaz de arrancar el sistema cuando detecta un bajo nivel en el contenedor de descarga o en su caso un nivel excesivo de fluido en el contenedor de succión. - Electroválvula. Este elemento sirve para permitir el flujo únicamente en una dirección mientras que impide el paso del fluido en dirección contraria ello en función de la presión del fluido, puede servir para mantener un volumen constante de agua en la tubería de succión y permitir así el autoarranque del sistema. Características principales de las turbinas hidráulicas. El sistema hidráulico de una turbina funciona de manera inversa que con una bomba pues en este caso transforma la energía potencial y cinética de un fluido en energía mecánica rotacional. Su principio de funcionamiento es básicamente aprovechar la fuerza cinética contenida en grandes volúmenes de agua para impulsar un arreglo de alabes que transformen esa energía en rotacional mecánica y posteriormente mediante un eje se trasfiera a un generador eléctrico. Por mas de un siglo se han estudiado, desarrollado y patentado distintos tipos de turbinas hidráulicas para la generación de electricidad sin embargo actualmente solo se consideran tres principales pues estas cumplen de forma amplia con la demanda de potencia que se desea suministrar en función del salto de agua y el caudal disponible para obtener energía del fluido. Componentes. - - Tubería de entrada o suministro. Esta parte es la encargada de suministrar a la turbina un flujo continuo de agua para su funcionamiento.} Distribuidor. Área que distribuye el flujo de entrada y a su vez es el lugar donde interacciona la superficie del agua con las paletas o alabes del rodete. Rodete. Es un arreglo circular de palas, alabes o cucharas que entran en contacto directo con la superficie del fluido transformando el flujo en movimiento rotacional del eje. Eje de la turbina o rotor. Es el cilindro metálico que transfiere el movimiento rotacional generado por la interacción con el flujo de agua hacia el generador eléctrico. Difusor. Es la tubería por la que sale el flujo de agua después de haber interactuado con el rodete. 6 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 Turbina tipo Pelton. • Diseñada por Lester A. Pelton y patentada en 1889 es una turbina de acción o impulso donde la entrada y salida del flujo es tangencial al eje es mayormente utilizada en saltos de agua de gran altura de más de 200m y pequeños caudales de hasta 2𝑚3 /𝑠. Tomado de: www.hpp-design.com Turbina tipo Kaplan. • Diseñada en 1922 por Victor Kaplan con alabes ajustables cuya admisión de fluido es total, también se considera de reacción o impulso. Con un flujo radial-axial, el eje puede ser horizontal, inclinado o vertical diseñada para saltos de agua pequeños de hasta 50m y grandes caudales de hasta 15𝑚3 /s. Tomado de: www.hpp-design.com 7 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 Conclusión Un sistema hidráulico esta compuesto tanto por los dispositivos que generan la interacción con el fluido como los elementos periféricos encargados de transportar el fluido desde un punto a otro o en el caso de las turbinas de redireccionar el flujo. En el caso de las bombas existen una gran variedad de tipos y categorías que se aplican en función principalmente de la presión requerida para el fluido al cual se le requiere transferir energía o potencia. Par un uso domestico basta con considerar las bombas centrifugas como la mejor opción por el tipo de potencia requerida y porque el fluido en cuestión casi siempre es agua. Al momento de seleccionar una bomba se deben considerar las propiedades del fluido, las características de la tubería, las cargas totales de bombeo y por supuesto la presión y flujo volumétrico que se desea satisfacer. Actualmente se estandarizo el uso de turbinas tipo Pelton, Francis y Kaplan pues sus diseños cumplen de manera optima con las demandas de potencia en función del tipo de salto de agua y caudal disponibles para generar potencia. 8 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087 Bibliografía Mott, R. L. (2006). MECÁNICA DE FLUIDOS Sexta edición. Ciudad de México: PEARSON EDUCACIÓN. SEGUAS Aire comprimido y frío industrial. (23 de 07 de 2021). www.seguas.com. Obtenido de https://www.seguas.com/bombas-centrifugas-instalaciones-hidraulicas/ Universidad Abierta y a Distancia de México. (17 de 07 de 2021). Diseño de sistemas hidrálicos "Introducción a los sistemas hidráulicos". Ciudad de México, México. 9 Ingeniería en Energías Renovables Diseño de sistemas hidráulicos (ER-EDSH-B1-001) ES172020087
