Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
DISEÑO DE MICROGENERADORES PARA RUNNER PELTON
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
1 / 66
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
i
Diversificar la matriz energética y reducir los costos medioambientales en la generación de energía, son problemas que está enfrentando Chile actualmente, por lo que es urgente comenzar a estudiar nuevas formas de generación de energías que no sean contaminantes, eficientes y sostenibles. En este contexto el Centro de Energías de la Universidad de Chile está desarrollando un proyecto de microgeneración hidráulica llamado Microcentral Hidroeléctrica Inteligente, este proyecto contempla la utilización de una turbina tipo Turgo importada desde China, la cual carece de especificaciones técnicas y presenta inconvenientes técnicos como un rendimiento de 49 %, considerado bajo para este tipo de tecnología. Ante este proyecto de innovación tecnológica es muy importante que el principal órgano de la turbina, el rodete, tenga un mayor rendimiento, y sean conocidas sus características técnicas y alta calidad.
El objetivo de este trabajo de titulación es el diseño de un rodete de turbina tipo Pelton, con el fin de obtener un mayor rendimiento y calidad que con la actual turbina Turgo. Para esto se procederá de la siguiente manera, se realizará un diseño preliminar utilizando la teoría hidráulica. Luego, se modelará el rodete diseñado en el programa Ansys variando los parámetros relevantes para obtener el rodete con mejor rendimiento.
El desarrollo de este trabajo será realizado para un recurso hídrico con las siguientes características: altura neta (Hn) de 40 [m] y caudal (Q) de 35 [l/s], considerando lo anterior la potencia hídrica es de 13,72 [kW].
Tras el diseño y modelación del rodete se obtienen los principales resultados que son el diámetro Pelton de 36 [cm], diámetro de puntas de 45 [cm] y para la cuchara un ancho de 12 [cm] y el largo de 11 [cm].
Se compara la fuerza del agua en la cuchara para el caso optimizado y el caso base, se obtiene que la fuerza es de un 0,1 % por ciento mayor. Con esto se espera un aumento del rendimiento teórico del rodete que en el caso base es de un 89 %, valor considerablemente mayor al obtenido en el estudio de la turbina Turgo china de un 49%.
Finalmente se entrega el rodete dibujado en Autodesk Inventor.
iii
Resumen ejecutivo ............................................................................................................................ i
Agradecimientos .............................................................................................................................. ii
Índice de figuras .............................................................................................................................. v
Índice de tablas ............................................................................................................................... vi
Nomenclatura ................................................................................................................................ vii
Subíndices ......................................................................................................................... vii Abreviaciones ................................................................................................................... vii
1.1. Motivación ........................................................................................................... 2 1.2. Objetivos .............................................................................................................. 3 1.2.1. Objetivo general ........................................................................................................ 3 1.2.2. Objetivos específicos ................................................................................................. 3 1.3. Alcances ............................................................................................................... 3
2.1. Microgeneración................................................................................................... 4 2.2. Recurso hídrico .................................................................................................... 6 2.3. Ecuación de Euler................................................................................................. 7 2.3.1. Grado de reacción ...................................................................................................... 8 2.3.2. Turbinas de acción ..................................................................................................... 9 2.3.3. Turbinas de reacción .................................................................................................. 9 2.4. Turbina Pelton .................................................................................................... 10 2.5. Triángulos de velocidad ..................................................................................... 15 2.6. Dimensiones de la cuchara ................................................................................. 18 2.7. Teoría de Trayectorias relativas ......................................................................... 25 2.8. Número de cucharas de un rodete Pelton ........................................................... 27 2.9. Orientación de las cucharas del rodete ............................................................... 28 2.10. Elemento de optimización .................................................................................. 29
3.1. Modelo de turbulencia ........................................................................................ 30 3.2. Modelos para multifases..................................................................................... 31 3.2.1. Modelo VOF ............................................................................................................ 31 3.2.2. Modelo Mixture ....................................................................................................... 31
vi
- 3.2.3. Modelo Euleriano vii
B ancho de la cuchara, cm D diámetro Pelton, cm d diámetro de chorro, cm n velocidad de rotación,RPM g aceleración de gravedad, m/s^ Hn altura neta, m L largo de la cuchara P potencia, W Q flujo volumétrico, m^3/s Re número de Reynolds z número de cucharas u velocidad tangencial, m/s V velocidad absoluta, m/s^ Vr velocidad relativa, m/s^ α ángulo de entrada, grados β ángulo de salida, grados η rendimiento ν viscosidad cinemática, m^3/s ρ densidad, kg/m^ τ coeficiente de tensión superficial, N/m
1 entrada al rodete 2 salida del rodete h hidráulica tot total
SIC Sistema interconectado central CFD Computacional Fluid Dynamics SST Shear stress transport CAD Computer Aided Design CFX CFD código de Ansys VOF Volume of Fluid
2
Ante la necesidad de ampliar la matriz energética de Chile, es importante estudiar y desarrollar nuevas tecnologías.
Este trabajo se encuentra dentro del proyecto llamado Microcentral Hidroeléctrica Inteligente del Centro de Energías de la Universidad de Chile, éste es un innovador proyecto que consiste en una microcentral de 10 [kW] que pretende facilitar y acercar la generación de energía a localidades rurales. Su principal ventaja con respecto a otras microcentrales, es que opera automáticamente, por lo que no requiere que el dueño de esta microcentral tenga un alto conocimiento específico del tema. Sus principales ventajas son:
Puede funcionar en forma aislada o conectada a la red de distribución eléctrica. Entrega energía estabilizada de gran calidad. Al conectarse a la red de distribución eléctrica, se sincroniza automáticamente. Pueden conectarse varias unidades en paralelo, las que se coordinan entre sí.
Este proyecto actualmente contempla el uso de una turbina Turgo de 10 [kW], la que es importada desde China. En un trabajo de titulación anterior [4] se realizó una caracterización de ésta debido a que sus fabricantes entregan una escasa y poco precisa información sobre la operación de la turbina. Entre los resultados del trabajo, se destaca que para la potencia nominal de P= 10 [kW], el rendimiento global de la turbina y generador es y se logra
para valores de caudal y altura neta de , en contraste con los
valores dados por el fabricante de y. Además de entregar valores
imprecisos se debe notar que la eficiencia entregada por la turbina de 49% es un valor muy bajo para turbinas hidráulicas que van entre 70%-80%, para microgeneración. Es importante destacar que existe poco estudio e información de turbinas hidráulicas para microgeneración, ya que el estudio de turbinas hidráulicas siempre se ha centrado en la macro escala.
Las principales características de las turbinas Pelton son:
Se utiliza generalmente para importantes alturas y bajos caudales, características que se repiten en una gran cantidad de recursos hídricos a los largo de Chile.Se estima que existe un potencial de mini generación (1 a 20 MW) en Chile de 17.202 MW [9]. De fácil ensamble. Tiene una menor cantidad de componentes que las turbinas Francis y Kaplan. Tiene un rendimiento mayor a la tecnología Turgo. Tiene un buen rendimiento para cargas variables.
Debido a la gran importancia y desarrollo tecnológico que presenta este proyecto para Chile, aparece la necesidad de estudiar la posibilidad de diseñar y fabricar un rodete de turbina Pelton en Chile, debido a las mejores características que destacan a ésta sobre la tecnología Turgo. Esto permitiría de una vez, dejar de depender del rodete de mala calidad y con escasa información importado desde China, para que finalmente el proyecto Microcentral Hidroeléctrica Inteligente sea íntegramente hecho en Chile.
3
Diseñar y optimizar un rodete de Turbina Pelton para Microgeneración, en contexto del proyecto Microcentral Hidroeléctrica Inteligente para una altura neta de 40 [m] y caudal (Q) de 35 [l/s].
Diseñar rodete de la turbina Pelton y determinar parámetros relevantes para aumentar su rendimiento. Optimizar el diseño para obtener un mayor rendimiento. Entregar el rodete diseñado en formato CAD.
Este trabajo de titulación se concentra sólo en el rotor o rodete de la turbina hidráulica, no incluyendo todos los demás componentes. Se realizará un diseño utilizando la teoría hidráulica, para luego realizar una optimización del modelo antes diseñado. Es importante recalcar que no se contempla en este trabajo de titulación el estudio de los materiales y manufactura.
5
Como se observa en la figura 2-1 las turbinas Pelton presentan un alto rendimiento en condiciones desfavorables, esto es para caudales significativamente menores que el caudal de diseño.
Para el caso de la microgeneración, el rendimiento de las turbinas va entre 60% y 80% [7].
Es importante destacar que las turbinas Pelton tienen una alta eficiencia para caudales menores, lo que agrega una característica favorable para el proyecto. Debido a que este tipo de recurso se repite a lo largo de Chile.
En cuanto al tema de costos, las turbinas para microgeneración se hacen más interesantes para casos de gran altura, ya que no se requiere de un gran caudal y la relación costo potencia se hace favorable. El problema es que en el mundo existe una gran cantidad de pequeñas caídas, que no son aprovechadas porque no se le puede comparar en términos de costos con la generación por medio de diésel. En la figura 2-2 se muestra la relación precio en dólares versus la generación en kW.
6
Las turbinas Pelton y de flujo cruzado se han convertido en las turbinas más utilizadas para la generación en pequeñas localidades, esto se debe a:
Mejor tolerancia a las partículas que pueda traer el flujo. Un fácil acceso a las turbina. Sin sellos de presión alrededor del eje. Fácil de fabricar y mantener. Buena eficiencia a distintas ponderaciones del caudal.
Finalmente las principales ventajas de la generación micro hidráulica:
Es mucho más concentrada que la energía solar o eólica. La generación de energía es continua. No se requiere de un combustible, sólo mantenciones temporales. Tiene una larga vida útil. Tiene un bajo impacto ambiental.
El rodete de la turbina de tipo Pelton será diseñado para un recurso con las siguientes características:
Altura neta (Hn) de 40 [m]. Caudal (Q) de 35 [l/s]
La potencia del recurso hídrico se calcula mediante la ecuación 2.1.
Donde:
8
En este caso el agua ejerce la fuerza sobre el canal y considerando el principio de acción y reacción, la potencia sobre el canal será:
̇ 2.
La energía transferida por unidad de masa al fluido, más conocida como la ecuación de Euler, se escriben según la ecuación 2.6 para turbinas.
La ecuación de Euler puede ser utilizada para flujos compresibles e incompresibles y si existen pérdidas o no dentro del canal. Por lo tanto es válida para todas las turbomáquinas y particularmente en turbinas Pelton.
Se llama grado de reacción (GR) a la relación entre la carga estática y la carga total transferida.
Existe una deducción de la ecuación de Euler según componentes energéticas [5]. El resultado de ésta se presenta en la ecuación 2.7.
El término corresponde a la carga estática debido a la reacción inercial del fluido,
producida por la aceleración normal creada por el arrastre del fluido por los álabes. También el
término representa la carga estática, debido al cambio de magnitud de la velocidad
relativa del fluido respecto del álabe entre la entrada y la salida del fluido. Por lo tanto la carga estática corresponde a:
9
A su vez la carga dinámica representa la variación de energía cinética por unidad de masa y se muestra en la ecuación 2.9.
La ecuación 2.10 muestra el grado de reacción.
Utilizando el concepto de grado de reacción se clasifican las turbinas hidráulicas.
Las turbinas de acción se caracterizan por tener un grado de reacción nulo. En éstas turbinas es donde la transformación de la energía potencial en energía cinética se realiza en los órganos fijos anteriores al rodete, ya sea inyectores o toberas. Por lo tanto el rodete sólo recibe energía cinética, además la presión de entrada y de salida de los álabes es la misma y corresponde a la presión atmosférica. Las principales turbinas de acción conocidas son la turbina Pelton y Turgo.
Se llama así a las turbinas cuyo grado de reacción es no nulo y el caso de una turbina de reacción pura es cuando se transforma la energía potencial en cinética íntegramente en el rodete, el que en este caso sólo recibe energía potencial. La presión de entrada es superior a la presión de salida del fluido. Las principales turbinas de reacción son las turbinas Francis y Kaplan.
11
Las turbinas Pelton pueden considerar el uso de uno o múltiples inyectores, donde cada inyector puede regular el flujo de agua. Esta característica le da una gran ventaja a las turbina Pelton en casos donde no se puede predecir el flujo o cambia su caudal con frecuencia durante el año. La figura 2-6 muestra el esquema de una turbina Pelton de 6 inyectores.
El rango típico de aplicación de la turbina Pelton se muestra en la figura 2-7. Esta turbina se utiliza generalmente para alturas desde 25 hasta 1900 [m] y caudales de 1,5 a 34.000 [l/s].
12
El rendimiento de las turbinas Pelton varía según la escala del proyecto, la tabla 2-1 muestra el rendimiento total para una turbina tipo Pelton según su potencia neta.
Potencia [kW]
Ƞtot [%] 85 88 89 90