CENTRAL PICO HIDROELECTRICA

Jairo Hernando Puentes Hincapié

e-mail: jpuentes02@hotmail.com

Joselito Medina Chindo

e-mail: josetito_2006@hotmail.com

RESUMEN: El presente proyecto trata del estudio de un tipo en particular de turbinas hidráulicas que viene a ser la turbina axial tubular que consiste en un diseño especial que usa un rodete Kaplan de álabes fijos al cual se antepone un distribuidor axial, también de álabes fijos, ambos montados en una carcasa cilíndrica, prescindiendo así de la carcasa espiral. Inmediatamente al conjunto anterior se le instalará un tubo de aspiración recto o acodado según sea el caso.

Finalmente, el trabajo a desarrollar contará con planos de diseño y anexos para logra una mejor explicación de los cálculos y la generación obtenidos en este proyecto.

Palabras claves: Turbina tipo Kaplan, rodetes, Tubo de succión, fuerza y momento para el eje, rodamiento, acoples, generadores.

1 INTRODUCCIÓN

La generación de energía pico hidroeléctrica, es una labor de ingeniería aplicable en Colombia. Las principales fuentes energéticas para este objetivo es la proporcionada por las caídas con una inclinación máxima permisible de un 10% de agua en un rio o una quebrada. Gracias a la fuerza de gravedad ejercida sobre estas corrientes de agua, se puede generar energía pico hidroeléctrica hasta 5 Kw con un caudal aproximado de 500 litros/segundos.

.

Por lo general se pueden comparar y comprobar la teoría con la practica en el comportamiento de las variables para la generación de energía mediante una central pico hidroeléctrica, estudios y mediciones con el fin de desarrollar conocimientos y competencias, dando como resultados la relación entre energías potencial, cinética, hidráulica, mecánica y eléctrica.

La propuesta de este proyecto es aplicar los conocimientos en temas relacionados como máquinas hidráulicas, motores eléctricos, Diseño, Mecánica de fluidos entre otros y temas adjuntos a este, tales como la generación de energía, los cálculos matemáticos en diferentes variables (Caudal, revoluciones por minutos , altura, potencia, etc.) y análisis de gráficas como, ( Caudal vs Rpm, Rpm vs W, W vs Hz) con el objetivo de que desarrollen y mejoren sus competencias y conocimientos cognoscitivos.

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar, construir y poner en marcha un banco didáctico para la generación de 100 a 200 W de energía eléctrica CA por medio de una central pico hidroeléctrica acoplada a una turbina kaplan de 6” de Diámetro y esta a su vez al generador de imanes permanentes sincrónico de 4 polos o en su defecto un motor alternador.

3. ELEMENTOS

3.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES

Turbina tipo Kaplan

Turbina de flujo axial, de reacción y de admisión total, su principal característica es que cuenta con un rodete que contiene álabes fijos, su función es controlar los componente tangencial de la velocidad a la entrada del rodete, en consecuencia el fluido sale de los alabes directores (distribuidor) y entra en la rueda con un momento angular adquirido.

A medida que el fluido discurre a través del rodete, su momento angular se reduce e imparte un momento de torsión a la rueda, que a su vez impulsa el eje para producir energía.

Potencia a instalar

Según la caída

a) Velocidad específica de caudal o número de Brauer ( Nq ).

b) Velocidad específica de potencia o número de Camerer ( Ns ).

Donde:

N: Velocidad de rotación de la turbina, rpm.

Q: Caudal, m3/s.
H: Salto neto, m.

P: Potencia al eje, HP o kW

Donde:

δ: Diámetro especifico, adimensional.

σ: Cifra de velocidad, adimensional.

De : Diámetro externo del rodete, m.

H : Salto neto, m.

Q: Caudal, m3/s.

Nq : Velocidad especifica de caudal, r.p.m.

Para el caso del proyecto se obtiene: δ = 1.12 – 1.37 y σ = 1.7 por lo que se tendrá como resultado un rango de las coordenadas posibles calculadas para δ y σ. Este rodete se realizará páginas adelante. El rango se encuentra cercano a la curva del diagrama de Cordier (figura), por lo tanto cualquier valor que tome el diámetro externo entre 0.225 – 0.275 m es válido para el diseño del rodete. La selección final de los valores del dimensionamiento del

Diseño del tubo de succión o difusor.

El tubo de succión para PCH altura disponible del recurso hidráulico y la energía del flujo. Debe ser de sección variable para que le permita la desaceleración del fluido logra así la máxima operación la energía de presión a la salida del rodete

Tubo de succión recto

La acción de la fuerza centrífuga produce esfuerzos de tracción y torsionales. Para calcular el esfuerzo de tracción, primero se calcula la fuerza radial (dFr), para lo cual se toma un elemento diferencial de masa

dm = ρ.A.dr , ubicado a una distancia “r” del centro de giro.

Donde

r : Radio, mm.

A : Área de del perfil del álabe a una distancia “ r ” del centro de giro, mm2.

ω : Velocidad angular, 1/s.

ρ Densidad del acero inoxidable, 7695.10−9 kg/mm3.

Fuerzas y momentos actuantes del eje de transmisión de potencia

Rodamientos

El rodamiento 2206 E 2RS1 KTN9 soportará la fuerza RY1 = 14.27N. El rodamiento 2205 ETN9 soportará la fuerza RY3 = 18.08 N y la fuerza axial Fa = 622.54 N.

Acoples

La transmisión de la potencia del eje hacia el generador se realiza mediante un acoplamiento flexible d a marca “TB Wood´s” ya que por calidad de productos, precios y por encontrarse en el mercado nacional resulta ideal.

El acoplamiento flexible seleccionado es del tipo: 6 JE de EPDM de Neopreno, tiene como velocidad máxima 6000 rpm, soporta temperaturas entre – 30 ºC a + 275 ºC y tiene un peso total de 1,27 kgf o 12.46 N.

Generador

Para pequeñas potencias, los generadores síncronos son difíciles de encontrar en el mercado nacional por lo tanto resulta costoso, en cambio los motores se encuentran fácilmente, además son robustos en operación (pues no presentan devanados , diodos o anillos deslizantes en el rotor), son fáciles de darles mantenimiento y tiene un precio menor para igualdad de potencia.

4 REFERENCIAS

[1] SISTEMAS DE BOMBEO. Bombas Mejorada en Línea [En línea] [Consultado el 7 de Agosto de 2010]. Disponible en:

MEDICIÓN DE FRECUENCIA DE LA TENSIÓN GENERADA EN UNA PICO CENTRAL HIDROELÉCTRICA, CON ELEMENTOS DE BAJO COSTO. En: Terlecki Alejandro, Kurtz Víctor Hugo, Congreso Tecnológico 2006. [Consultado el 7 de Agosto de 2010].

CAMERON HYDRAULIC DATA. En: Flowserve. [En línea] [Consultado el 10 de Agosto de 2010]. Disponible en

MANUAL DE BOMBAS CENTRÍFUGAS. En: Flowserve. [En línea] [Consultado el 10 de Agosto de 2010]. Disponible en

PUMP ENGINEERING MANUAL. Experience in Motion. En: Flowserve. [En línea] [Consultado el 12 de Agosto] Disponible en

INERSON. Tienda comercial On-line. [En línea] [Consultado el 13 de Agosto de 2010]. Disponible en:

ESTUDIO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PEQUEÑA HIDROELÉCTRICA EN UN BENEFICIO HÚMEDO DE CAFÉ. En: Santos Solares Jose Antonio. Guatemala, Octubre de 2006.

ESTUDIO DE PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS COMO PARTE DE SISTEMAS HIBRIDOS: En: Mora Navarro Diego Camilo. Bogotá 2004

5 CONCLUSIONES

a. El énfasis de este proyecto de grado es el que los estudiantes tengan acceso a un banco didáctico para que analicen, comparen y practiquen sus conocimientos adquiridos.

b. Tener en cuenta que las fuentes de energía renovable generan un impacto ambiental mucho mejor en la eficiencia de la energía eléctrica diferente a las fuentes de energía no renovable.

c. Para realización de las prácticas se considera este proyecto como un instrumento o material didáctico que permita a los diferentes usuarios adquirir conocimientos con respecto al tema.

TRANSMEC SISTEMA MECANIZADO PARA EL TRANSPORTE DE CAFÉ EN LADERA

TRANSMEC

SISTEMA MECANIZADO PARA EL TRANSPORTE DE CAFÉ EN LADERA

Roger Fabián González Trujillo

Rofago09@hotmail.com

Jairo Hernando Puentes Hincapié

Jpuentes02@hotmail.com

RESUMEN: El proyecto Transmec, es un sistema de transporte aéreo por cable, el cual responde a una necesidad solicitada por la empresa Noroceagro para beneficiar 13 familias campesinas productoras de café en el municipio de Palermo en la vereda Horizonte y Líbano.

El sistema, optimizara el ingreso y salida de diversos productos, reduciendo al máximo los tiempos en que actualmente se realiza el transporte de café en ladera mejorando la calidad de vida de las familias campesinas.

PALABRAS CLAVE: Factor de seguridad, Modulo de elasticidad, Topografía, Estudio de Suelos, Diagrama de cuerpo libre.

1. INTRODUCCIÓN

El municipio de Palermo que se halla ubicado en la zona noroccidental del departamento del Huila tiene como actividad agroeconómica en zona de topografía de ladera el cultivo del café especial. Actualmente no se dispone de un sistema eficiente para el transporte del producto, esto implica la movilidad del mismo en tiempos largos y en consecuencia la fatiga del caficultor por su esfuerzo físico.

Para lograr que el sistema tenga un bajo costo de adquisición y un bajo costo de sostenibilidad, garantizando la calidad de la misma, se debe hacer una selección adecuada de, materiales, partes estándar, procesos de manufactura, configuración de los sistemas, etc. en términos de criterios como funcionalidad, disponibilidad, montaje, mantenibilidad, costos de adquisición, etc.

Aquí se plantea el diseño conceptual de una transmisión desde la fuente de potencia hasta la rueda motriz de un sistema de transporte de carga por cable autopropulsado donde se aplicará una metodología de diseño hasta llegar al concepto de la alternativa solución, el estudio comprende todo el conjunto propulsor que incluye el sistema de arranque y parada, la inversión de marcha, la regulación de la velocidad, el sistema de bloqueo y la transmisión con su respectivo acople a la rueda propulsora.

Para ser competitivos debemos garantizar mejores y mayores volúmenes de productividad, por tal motivo se hace necesario el diseño de un sistema de transporte ya que son varias las familias campesinas que viven retiradas de la carretera lo cual implica que el ingreso de insumos y la salida de cualquier producto se dificulte por ser zonas de difícil acceso, es este el problema del cultivador del siglo XXI en el municipio de Palermo que carece de un medio de transporte adecuado para ser competitivo.

Como se trata de un diseño para lograr satisfacer una necesidad, el objetivo es cumplir con los requerimientos mínimos estructurales, mecánicos y de seguridad, sin olvidar la sencillez y funcionalidad de manera que no se encarezca el proyecto inútilmente.

2. CONDICIONES DE OPERACIÓN

“Sistema de transporte de carga aéreo por cable para aplicaciones rurales. La canastilla viajará entre dos estaciones en una trayectoria y en una de las estaciones terminales estará dispuesto un dispositivo de parada; el operario en cada estación enciende el motor después de haber cargado el vehículo y posteriormente acciona el mecanismo. La canastilla viajará sin tripulante hasta la estación terminal en donde el operario activara desactiva el avance, apaga el motor y detiene el sistema”.

Las características principales del vehículo propuesto son:

• Carga útil máxima: 75 Kg.
• Peso propio del vehículo: 30 Kg.
• Pendiente máxima a recorrer en ambos sentidos: 45° (100%).
• Velocidad de operación: 1 m/s, constante.

3. GENERACIÓN DEL CONCEPTO

3.1 FUNCIÓN PRINCIPAL

La función principal del mecanismo es la de transmitir potencia a la rueda motriz de la triada. En el siguiente diagrama se muestra la caja negra del problema. Figura 1.

Figura1. Caja Negra

Entrada:

• Fuerza humana: Se entenderá fuerza humana como la energía requerida para accionar un sistema, ya sea por medios digitales (botones), o mecánicos (palancas).
• Combustible: Como la fuente de potencia es un motor de combustión, el combustible es cualquier sustancia (gasolina, gas, ACPM, etc.) empleada como fuente de energía en dicho motor.
• On/Off Motor: Esta es la señal requerida para poner en marcha el motor. Entregada al sistema ya sea por medio de un pulsador, una palanca, un control remoto, etc.
• Sentido de avance: Como consecuencia de que el sistema de transporte por cable autopropulsado debe realizar viajes de ida y vuelta por el mismo cable, esta es la señal ingresada al sistema por un operario para definir la dirección del viaje.
• Arranque: Esta señal es dada por un operario, y corresponde al accionamiento de la ruada motriz para que se inicie el viaje.

Salida:

• Potencia del motor: Esta es la potencia entregada por el conjunto transmisión y motor a la rueda motriz.
• Ruido y calor: Esta salida de energía corresponde a las pérdidas.
• Residuos: Los generados por los procesos de combustión
• On/Off Motor: Esta es una señal percibida por el operario, que indica el estado del motor al llegar a una estación.
• Sentido de avance: Esta señal también es percibida por el operario, y es necesaria para reconfigurar el sentido de marcha del nuevo recorrido.

3.2 SUBFUNCIONES

A continuación se listan las Subfunciones necesarias para llevar a cabo la función principal y se clasifican por su accionamiento (manual/automático). Figura 2.

• Fuente de potencia
• Embrague
• Cambio de dirección.
• Reducción de velocidad.
• Transmisión a la rueda motriz.
• Bloqueo.
• Freno.
• Función de seguridad.
• Función automática del sistema.

Figura 2. Subfunciones

Alternativas de solución para los subsistemas.

Fuente de potencia.

Dada la condición de que la fuente de potencia debe ser un motor de combustión interna, las alternativas de propulsión son:

• Motor Otto-Gasolina.
• Motor Otto-Gas.
• Motor Diesel.

Embrague, Freno.

Los subsistemas embrague y freno se toman como uno solo en este punto, ya que los principios que los rigen son los mismos:

• De contacto positivo.
• De Fricción.
• Centrífugos.
• Magnéticos.
• De partículas magnéticas.
• De histéresis magnética.

Bloqueo.

• Contacto positivo.
• Fricción.
• Mordaza.
• Magnético.

Reducción de velocidad.

Las alternativas apreciadas para la reducción de velocidad son:

• Reductor Sinfín-Corona.
• Reductor Helicoidal.
• Reductor Helicoidal Cónico.
• Reductor de dientes rectos.
• Reductores planetarios.
• Sprocket-cadena.
• Polea correa.
• Reductor cicloidal.

Cambio de dirección.

Para la selección de la dirección de marcha se debe agregar al sistema un dispositivo de inversión del sentido de giro del eje de salida a la rueda motriz, donde se apreciaran las dos siguientes alternativas:

• Inversor de tres ejes.
• Inversor de dos ejes.

Transmisión a la rueda motriz.

Para esta función se contemplan las siguientes alternativas:

• Sprocket-Cadena
• Polea-Correa
• Rueda de fricción.
• Piñones.

4. DISEÑO ESTRUCTURAL

4.1 PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN ANALÍTICA

Sobre el cable actúa una carga distribuida que somete cada elemento ds de su longitud a una fuerza wds, donde w es constante, es posible considerar el diagrama de cuerpo libre de la figura 3.

Figura 3. Diagrama de cuerpo libre. Equilibrio estático de un segmento de cable deformado por su propio peso.

El diagrama de cuerpo libre de la figura 2, se obtiene:

· Al cortar el cable en su punto más bajo y en un punto a una distancia s.

· H y T son las tensiones en el punto más bajo y en s, respectivamente.

· La carga distribuida ejerce una fuerza w hacia abajo.

· El origen del sistema de coordenadas se halla en el punto más bajo.

· Si z(x) es la función de la curva descrita por el cable en el plano x − z, el objetivo es determinar z(x) y T.

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo la tensión H en C y es horizontal, la tensión T en B, dirigida a lo largo de la tangente al cable en el punto B y la carga W concentrada que se mueve por toda la longitud del cable, dibujando el triangulo de fuerzas correspondiente, Figura 3 obtenemos las siguientes relaciones

De estas relaciones (1) vemos que las componentes horizontal de la fuerza de tensión T es la misma en cualquier punto y que la componente vertical de T es igual a la magnitud W de la carga medida desde el punto más bajo, Las relaciones (2) muestran que la tensión T es mínima en el punto más bajo en uno de los dos puntos de soporte.

Diseño del cable

El tamaño del cable se determina según el diseño por tracción para elementos de acero, tomando en cuenta que la forma de la sección transversal será como la que se indica en la Figura 2. Cabe destacar que la tensión bajo carga horizontal uniformemente distribuida se multiplica por un factor de seguridad de 6 y los esfuerzos últimos de los cordones y cuerdas son respectivamente σult= 13600 kgf/cm2 y σult= 14200 kgf/cm2.

Área requerida

A req = 3 T max / δult entonces trabajamos con la T máxima = 964,12 Kg

Y obtenemos A req = 3 (964,12 Kg) / 13600 kgf/cm2 = 0,425 cm2

A = πx d²/4 despejo y obtengo el diámetro

d=√(A*4)/π entonces reemplazo valores

d= √(0,425cm²*4)/π d = 0,74cm

Adopto un diámetro mayor = 0,952 cm = 3/8”

La manera de operar el sistema, tiene influencia sobre la estructuración del mismo. Dependiendo de las condiciones, se presentarán diferentes alternativas estructurales y mecánicas viables:

Trazado con Apoyos Intermedios: Debido a la longitud apreciable del recorrido, y a las condiciones topográficas ventajosas, pueden colocarse torres de apoyo distribuidas a lo largo del proyecto. Las torres intermedias ayudan a controlar las deflexiones en los cables lo que permite utilizar cables de menor diámetro que el que se requeriría sin los apoyos intermedios.

Trazado sin Torres Intermedias: En proyectos de longitud limitada, con topografía que no permite colocar torres intermedias solamente se podrán colocar torres en los extremos del recorrido. De igual manera si la longitud horizontal del proyecto es relativamente pequeña (menor a unos 500 m), y el peso de los vehículos de transporte no es excesivo, puede ser económicamente conveniente no recurrir a las torres intermedias.

Cable de Circuito Completo: Cuando existen facilidades técnicas y de distribución en planta en los puntos extremos del trayecto, el cable puede realizar un recorrido completo del circuito (ida y vuelta en el mismo circuito) con las canastas de transporte, desplazándose siempre en la misma dirección.

Cable de Medio Circuito: Cuando no existen facilidades técnicas y de distribución en Planta, el cable puede diseñarse para realizar recorridos de medio circuito en sentido normal y en sentido reverso, para prestar el servicio de desplazamiento de las canastas en las 2 direcciones.

5. DISEÑO DE LA CANASTILLA

5.1 COMPONENTES

Ensamble de cada una de las partes.

6. SISTEMA MECÁNICO PARA LA TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO

El diseño del sistema motriz está en función de la potencia necesaria para generar el movimiento de la canastilla entre las estaciones.

Para seleccionar el motor se deben analizar condiciones tales como: Disponibilidad de fluido eléctrico en la zona, potencias disponibles en el mercado y régimen de trabajo de los motores (RPM).

Conocida la potencia necesaria para poner en movimiento el sistema se aplica una coeficiente de servicio de alrededor del 50%.

La transmisión de potencia del motor hacia el cable motriz se la realiza mediante un mecanismo de reducción de velocidad que puede ser mediante, bandas y poleas, cadenas de rodillos o engranes.

El sistema cuenta con un motor diesel, un embrague de disco simple, una caja control de movimiento, un reductor, eje, polea de movimiento y freno de disco. Figura 4.

Figura 4. Sistema Mecánico

Todos los cálculos se realizaron para las Zapatas, columnas, canastilla para el transporte de la carga, selección de cable y poleas. Figura 5.

Figura 5. Sistema Transmec

7. CONCLUSIONES

• En un sistema de transporte aéreo confluyen diversos tipos de elementos estructurales, con comportamiento diferenciado, para viabilizar los proyectos.
• No existe código de diseño de un sistema de transporte aéreo por cable en nuestro país por lo que es necesario recurrir a códigos para estructuras con comportamiento análogo, como ACI, CEC, AASHTO, PCI y AISC.
• Si bien los esfuerzos en el cable se obtienen a partir de un análisis estructural, los factores de seguridad se establecen en función del comportamiento mecánico de los mismos.
• El diseño de los cables debe ser realizado bajo un esquema de comportamiento elástico del material y grandes deformaciones.
• La presencia de torres intermedias dependerá de la longitud total del proyecto y las características topográficas.
• Es recomendable realizar la selección de los cables, basados en catálogos actualizados, esto permitirá concebir un diseño concordante con la disponibilidad de los productos en el mercado.
• En la fase de operación, un cable debe ser inspeccionado a intervalos regulares para corregir fallas que aceleren el desgaste.