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TURBINA DE RUEDA DE AGUA (RUEDA HIDRÁULICA) Identificación del nuevo concepto Funcionamiento La rueda hidráulica es una de las turbinas hidráulicas más antiguas conocidas. Esta utiliza la energía hidráulica del agua para hacer girar una rueda de paletas, que a su vez hace girar el eje de la turbina y genera energía mecánica. Esta funciona gracias a la Ley de Conservación de la Energía, que establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada de una forma a otra.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Asignatura Maquinas Hidráulicas (112080) Departamento de Mecánica y Producción Ingeniería Mecánica Universidad Autónoma de Manizales Docente Gabriel Hernando Cadavid Marín, PhD Alumno Ricardo Andrés Castellanos Loaiza 18 de febrero del 2023
TRL 1: Principios básicos observados
La rueda hidráulica es una de las turbinas hidráulicas más antiguas conocidas. Esta utiliza la energía hidráulica del agua para hacer girar una rueda de paletas, que a su vez hace girar el eje de la turbina y genera energía mecánica. Esta funciona gracias a la Ley de Conservación de la Energía , que establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada de una forma a otra [1].
Entre los diferentes tipos de ruedas hidráulicas , se encuentran las turbinas de rueda de agua con tiro sobrepasado. El funcionamiento se basa en los mismos que la rueda hidráulica convencional. El agua es dirigida hacia las cucharas de la rueda a través de una compuerta o tobera, y las cucharas de la rueda están diseñadas para dirigir el agua hacia el centro de la rueda, haciendo que gire. A medida que la rueda gira, el eje de la turbina conectado a la rueda también gira, lo que genera energía mecánica [2]. A diferencia de las ruedas hidráulicas convencionales, las turbinas de rueda de agua con tiro sobrepasado tienen la entrada del agua situada en la parte superior de la rueda y la salida del agua en la parte inferior. El agua fluye a través de la rueda y sale por la parte inferior, lo que aumenta la presión en la rueda y, por lo tanto, aumenta la eficiencia del proceso de conversión de energía.
El material de construcción de las turbinas de rueda de agua puede variar dependiendo de las necesidades del usuario y el tamaño de la turbina. Comúnmente, se utilizan aleaciones de aluminio y acero inoxidable debido a su alta resistencia a la corrosión, bajo peso y facilidad de fabricación. Para turbinas más pequeñas, también se pueden utilizar materiales como el plástico reforzado con fibra de vidrio, madera o el PVC.
Los tamaños comunes de las turbinas de rueda de agua varían desde pequeñas turbinas utilizadas para la generación de energía en hogares y pequeñas empresas, hasta turbinas más grandes utilizadas en centrales hidroeléctricas para generar grandes cantidades de energía. Las turbinas de rueda de agua con tiro sobrepasado son especialmente para permanecer donde la altura de la caída de agua es limitada, ya que pueden operar con una mayor eficiencia en estas condiciones. La energía mecánica generada por la rueda hidráulica se puede usar para realizar una variedad de tareas, como moler grano, cortar madera, bombear agua, generar electricidad y más.
En conclusión, la integración de una presa con una turbina para generar electricidad es una tecnología fundamental en la implementación de la rueda hidráulica en la Federación Cafetera de Caldas. Esta tecnología, bien implementada, puede ofrecer un aporte importante al sector energético al mismo tiempo que se preserva el medio ambiente y se genera beneficios económicos a largo plazo.
Si se desea implementar un diseño de rueda hidráulica como una fuente de generación de energía, es importante tener en cuenta las barreras esperadas y los impactos ambientales, sociales y de sostenibilidad de las hidroeléctricas.
La construcción de una central hidroeléctrica puede tener un impacto significativo en los ecosistemas acuáticos y terrestres vecinos. La construcción de la represa puede alterar la dinámica natural del río y afectar la migración de los peces y la biodiversidad de la zona. Además, la inundación de grandes extensiones de tierra para la formación del embalse puede afectar la calidad del agua, la flora y la fauna, y puede generar emisiones de gases de efecto invernadero por la acumulación de la materia orgánica en el fondo del embalse.
Puede afectar a las comunidades locales. Es necesario considerar los derechos de las comunidades indígenas y campesinas que pueden ser desplazadas y/o ver afectadas sus formas de vida tradicionales. Además, la construcción de la represa puede tener un impacto en el turismo y en la pesca artesanal.
Es importante considerar el ciclo de vida completo del sistema, desde la extracción de los materiales necesarios para la construcción hasta la operación y desmantelamiento. También es importante considerar la eficiencia energética de la rueda hidráulica y la eficiencia del sistema de transmisión y distribución de la energía. Es importante tener en cuenta estos impactos ambientales, sociales y de sostenibilidad al diseñar un prototipo final de una rueda hidráulica para la generación de energía. Es necesario buscar formas de minimizar estos impactos y garantizar una transición justa hacia fuentes de energía más sostenibles y limpias [4].
La hidroeléctrica es una fuente de energía renovable que utiliza el agua en movimiento para generar electricidad. Las aplicaciones de las hidroeléctricas son diversas y van desde grandes centrales hidroeléctricas hasta sistemas de pequeña escala para uso doméstico.
En la región cafetera de Colombia, y en particular en la Federación Cafetera de Caldas , la hidroeléctrica puede ser una fuente de energía renovable para pequeñas y medianas empresas relacionadas con la producción y procesamiento de café. Las centrales hidroeléctricas pueden ser utilizadas para generar energía en zonas rurales y remotas, donde el acceso a la red eléctrica es limitado, lo que puede mejorar la calidad de vida de las comunidades locales. Además, la hidroeléctrica puede ser utilizada para procesar y secar el café, que es una actividad que requiere grandes cantidades de energía. La energía generada por una central hidroeléctrica podría ser utilizada para alimentar los secadores y molinos de café, reducir los costos de energía y mejorar la eficiencia de la producción. La hidroeléctrica también podría ser utilizada para suministrar energía a los sistemas de riego y otras actividades agrícolas relacionadas con la producción de café. En general, la implementación de una central hidroeléctrica en la Federación Cafetera de Caldas podría ser una fuente de energía limpia y renovable que podría mejorar la calidad de vida de las comunidades locales y la eficiencia de la producción de café.
En la identificación de los materiales y tecnologías para la implementación de una rueda hidráulica o cualquier otro tipo de hidroeléctrica, es importante tener en cuenta los fundamentos teóricos y los datos de la literatura disponible para poder elegir las opciones más adecuadas. Los materiales utilizados en la construcción de las turbinas hidráulicas deben ser resistentes y duraderos , capaces de soportar las cargas mecánicas y las condiciones ambientales adversas a largo plazo. Algunos de los materiales comunes utilizados para las turbinas incluyen aleaciones de acero inoxidable, acero de alta resistencia, titanio y materiales compuestos [5].
Existen diferentes tipos de turbinas hidráulicas, cada una diseñada para operar en diferentes condiciones de flujo y cabezal de agua. Algunas de las tecnologías comunes incluyen la turbina Pelton, la turbina Francis, la turbina Kaplan y la turbina Michell-Banki; sin embargo, en este estudio a lo largo de toda la zona cafetera resultaría más sencillo la implementación de una rueda hidráulica que la de una Pelton [6]. Además, la tecnología de monitoreo y control es esencial para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente de las hidroeléctricas. Esto puede incluir sistemas de monitoreo en línea para medir y analizar el rendimiento de la turbina, así como sistemas de control automático para ajustar la velocidad de la turbina y la generación de energía en función de la demanda y las condiciones ambientales.
TRL 2: Se formula el concepto tecnológico
Para el diseño de la rueda hidráulica en la Federación Cafetera de Caldas , se deben considerar varios aspectos importantes. En primer lugar, se debe diseñar la geometría de la rueda, teniendo en cuenta las condiciones del sitio donde se instalará, como el caudal y la altura de la caída de agua disponible. La geometría de la rueda debe ser óptima para garantizar un alto rendimiento energético y evitar problemas como la cavitación. En cuanto a los materiales que se utilizarán para la fabricación de la rueda hidráulica serán seleccionados en función de su resistencia a la corrosión y su durabilidad en condiciones de humedad y exposición al agua. Las palas de la turbina suelen estar recubiertas con materiales como el caucho o el plástico, que pueden aumentar su eficiencia y reducir su desgaste. Además, se considerarán los diferentes componentes que se requieren para el funcionamiento de la rueda hidráulica , como los sellos, lubricantes y otros materiales que aseguren su correcto funcionamiento y prolonguen su vida útil. Se pueden utilizar sellos mecánicos para prevenir fugas y mantener el fluido hidráulico contenido en el sistema. También se pueden utilizar sellos hidrodinámicos que reducen la fricción y el desgaste de los componentes. En cuestión de lubricantes es importante seleccionar un lubricante adecuado para los componentes que estarán en contacto con el fluido hidráulico. Esto ayuda a prevenir la corrosión, el desgaste y el deterioro de los materiales. En ese caso, la tecnología que se usará es la de la rueda hidráulica. Para su diseño, se tendrán en cuenta las características del caudal del río y la caída de agua disponible en la Federación Cafetera de Caldas , lo cual podrá determinar el diámetro de la rueda y su número de cucharas. Otro aspecto importante es el diseño del sistema de generación eléctrica, que podría ser una turbina-acoplada a un generador eléctrico. En este caso, es importante tener en cuenta la eficiencia del generador y su capacidad de generar la cantidad de energía eléctrica requerida por la Federación Cafetera de Caldas.
Para la implementación de la rueda hidráulica en la Federación, se ha investigado y perfeccionado el concepto de la turbina de rueda hidráulica. Se ha analizado detalladamente el diseño y se han realizado dibujos CAD y prototipos para garantizar su eficiencia y rendimiento. Asimismo, se ha seleccionado cuidadosamente los materiales y tecnologías necesarios para el correcto funcionamiento de la turbina, así como para su prolongación de vida útil. Además, se han evaluado diferentes opciones para garantizar la sostenibilidad y minimizar el impacto ambiental y social en la región, como la implementación de sistemas de reciclaje y reutilización de agua y la utilización de materiales y tecnologías amigables con el medio ambiente. Todo esto se ha realizado con el objetivo de garantizar una implementación exitosa de la rueda hidráulica en la Federación Cafetera de Caldas , con un enfoque en la sostenibilidad y eficiencia energética.
En la Federación ya cuentan con una rueda hidráulica en funcionamiento, entonces el enfoque podría mejorar su eficiencia y rendimiento. Para ello, se deben evaluar los aspectos técnicos necesarios para el diseño de una nueva rueda hidráulica que sea capaz de generar más energía a partir del mismo caudal de agua que se utiliza actualmente. Algunos de los aspectos técnicos que se deben tener en cuenta en la evaluación de la viabilidad técnica incluyen:
- Radio mayor
- Radio interior
2
2
3
- Profundidad de la corona
- Número de cangilones
- Paso
- Radio medio
- Velocidad de giro
Las tecnologías que intervienen en la generación de energía hidroeléctrica están interrelacionadas y trabajan juntas para convertir la energía del agua en energía eléctrica. En primer lugar, la energía cinética del agua es capturada por la rueda hidráulica, la cual está conectada a un generador eléctrico a través de un eje [6]. La energía mecánica de la rueda hidráulica se desprende al generador eléctrico, el cual convierte esta energía en energía eléctrica. A continuación, esta energía eléctrica se transmite a través de un sistema de transmisión de energía eléctrica para suministro de energía a los hogares y empresas. Además, la generación de energía hidroeléctrica también implica la conversión de energía potencial del agua en energía cinética. La energía potencial se almacena en el agua en forma de altura, la cual se convierte en energía cinética cuando el agua fluye a través de la rueda hidráulica. La eficiencia de la conversión de energía hidráulica depende de varios factores, como la velocidad del agua, la geometría de la rueda hidráulica, el material de construcción y el diseño del generador eléctrico.
[2]. TP Singh, P. Singh y PR Sharma, "Revisión de pequeños proyectos de energía hidroeléctrica en India", 2017 4th International Conference on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), Solan, 2017, pp. 86-90. doi: 10.1109/ISPCC.2017.8343977. [3]. MH Al-Mashhadani, "Estudio del uso eficiente de la energía y el agua en los sistemas hidroeléctricos pequeños", tesis de maestría, Universidad de Bagdad, Irak, 2019. [4]. CR Gunasekara y WRK Perera, "Diseño, fabricación y prueba de turbinas hidroeléctricas a pequeña escala", Conferencia de investigación de ingeniería de Moratuwa de 2018 (MERCon), Moratuwa, 2018, págs. 304-309. doi: 10.1109/MERCon.2018.8429367. [5]. JM Santos y P. Santos, "Economic Viability of Small Hydro Power Plants: A Review", Conferencia Internacional de Sistemas de Información y Ciencias de la Computación (INCISCOS) 2018, Quito, 2018, pp. 1-7. doi: 10.1109/INCISCOS.2018.8626784. [6]. AB Ezeilo y AC Okoye, "Análisis y diseño de una turbina hidroeléctrica a pequeña escala para la electrificación rural en Nigeria", 2018 IEEE 5th International Conference on Energy, Power, and Control (EPC), Kitwe, 2018, pp. 1-6. doi: 10.1109/EPC.2018.8649456. [7]. L. Wu, X. Tan, X. Zhang e Y. Zou, "Diseño óptimo y predicción del rendimiento de un sistema de turbina hidráulica", Journal of Mechanical Science and Technology , vol. 30, núm. 5, págs. 2145- 2157, mayo de 2016. [8]. JF Sánchez, DD Rivas y DHZ Figueroa, "Turbinas hidráulicas: revisión de investigaciones sobre técnicas de diseño y uso de dinámica de fluidos computacional", Journal of Physics: Conference Series , vol. 1366, n. 1, págs. 1-9, septiembre de 2019.
