informe de energia hidraulica

7/26/2019 Informe de Energia Hidraulica

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Laboratorio de Energa Hidrulica Universidad Nacional de Trujillo

Laboratorio de Energa Hidrulica

1. Introduccin

Los antiguos romanos y griegos aprovechan ya la energa del agua,

utilizaban ruedas hidrulicas para mover trigo, sin embargo la posibilidad deemplear esclavos y animales de carga retras su aplicacin generalizadahasta el siglo !""# $urante la edad media, las grandes ruedas hidrulicas demadera desarrollaban una potencia m%ima de &' caballos#La energa hidroel(ctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civilbritnico )ohn *meaton, +ue construy por primera vez grandes ruedashidrulicas de hierro colado#La energa hidrulica es la energa +ue se obtiene de la cada del agua decierta altura a un nivel inerior, lo +ue provoca el movimiento de ruedashidrulicas o turbinas, las +ue dan la electricidad#

La hidroelectricidad es un recurso

natural disponible en las zonas +uepresentan su-cientes cantidades deagua# *u desarrollo re+uiere construirpantanos, presas, canales dederivacin y la instalacin de grandesturbinas y e+uipamientos paragenerar la electricidad# Todo elloimplica la inversin de grandessumas de dinero, por lo +ue noresulta competitiva en regionesdonde el carbn o el petrleo son

baratos, aun+ue el costo demantenimiento de una centralt(rmica, debido al combustible, seams caro +ue el de una centralhidrulica, sin embargo, el peso delas consideraciones medioambientales centra la atencin enestas uentes de energa renovables#En .er/ es ms econmico yavorable tener centrales hidrulicas,ya +ue nuestro pas posee los recursos geogr-cos 01os y lagos#2 paragenerar este tipo de energa y, adems si comparamos con las centrales

t(rmicas el gasto no es tanto como el de estas#

.ara poder producirse la energa hidrulica, el agua debe entrar en unaturbina y debe salir por los canales de descarga# Los generadores estnsituados justo encima de las turbinas y conectados con rboles verticales#Una presa debe ser impermeable, las -ltraciones a trav(s o por debajo deella deben ser controladas al m%imo para evitar la salida del agua y eldeterioro de la propia estructura# $ebe estar construida de orma +ueresista las uerzas +ue se ejercen sobre ella# Estas uerzas +ue losingenieros deben tener en cuenta son3 La gravedad, la presin hidrosttica yla uerza +ue ejerce el agua# 4dems los gelogos deben determinar +u(tipo de terreno est e%puesto a -ltraciones y cual puede soportar el peso dela presa y el agua +ue contendr detrs de ella#

Energas No 5onvencionales .gina 6

Fig 1: Centrales Hidroelctricas en


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El agua de canales, ros, lagos, etc#, es retenida por un du+ue, de all elagua se deja libre, 7uyendo libremente con una gran energa potencial, lo+ue hace girar unas turbinas +ue se encuentran en la central hidrulica# Lasturbinas activan a un generador, el cual transorma la energa del agua en laenerga el(ctrica +ue llega a nuestras casas y a todos los lugares +uere+uieren de ella, pero est energa necesita de algo para poder ser llevadaa los distintos lugares, es por eso +ue los cables de alta tensin son muyimportantes, ya +ue transmiten la energa desde la central a donde senecesite#

2. Objetivos

8btener energa el(ctrica a partir del desnivel de un 7ujo de agua,empleando para ellos turbinas .elton y 9rancis#

5alcular las e-ciencias de la conversin de energa#

3. Marco Terico

a) Energa hidrulica

*e denomina energa hidrulica o energa hdrica a a+uella +ue se obtienedel aprovechamiento de las energascin(tica y potencial de la corriente de ros,saltos de agua o mareas# Es un tipo deenerga verde cuando su impactoambiental es mnimo y usa la uerza

hdrica sin represarla, caso contrario esconsiderada solo una orma de energarenovable#

*e puede transormar a muy dierentesescalas, e%istiendo desde hace siglospe+ue:as e%plotaciones en las +ue lacorriente de un ro mueve un rotor de palasy genera un movimiento aplicado, porejemplo, en molinos rurales# *in embargo,la utilizacin ms signi-cativa laconstituyen las centrales hidroel(ctricas de

represas, aun+ue estas /ltimas no sonconsideradas ormas de energa verde porel alto impacto ambiental +ue producen ypor el uso de grandes cantidades de combustible sil para los generadores#

b) Potencial

5erca de un cuarto de la energa solar +ue incide sobre la tierra se consumeen la evaporacin de agua#El vapor de agua en la atmsera representa, por consiguiente, un enorme ycontinuo almacenamiento de energa renovable $esaortunadamente la

mayor parte de esta energa no est disponible para ser usada3 es reciclada

Energas No 5onvencionales .gina ;

9ig ;3


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en la atmsera cuando el vapor de agua condensa para ormar la lluvia o lanieve, y -nalmente irradia en el espacio#.ero una pe+ue:a raccin, menos de un diez por ciento del total de energacirculante, permanece potencialmente disponible cuando la lluvia cae enterrenos elevados, ya +ue el agua situada a una cierta altura contieneenerga almacenada 0energa potencial gravitacional2#

La potencia en vatios de este recurso se estima mediante la e%presinsiguiente3

P=QgH =

$onde > es la densidad del agua en ?g@mA, B el caudal de agua en mA@s+ue circula por las tuberas +ue la conducen a las turbinas, g la aceleracinde la gravedad en m@s;, H el desnivel en metros y = es el rendimiento delsistema#

$e la anterior e%presin se deduce +ue puede obtenerse la misma energaaprovechando grandes caudales con pe+ue:os desniveles o pe+ue:oscaudales y grandes desniveles# El rendimiento recoge las p(rdidas deenerga debidas al rozamiento y turbulencias del 7ujo del agua en loscanales y tuberas# Estas p(rdidas varan mucho de un sistema a otro,alcanzndose rendimientos +ue oscilan entre un C&D y un &D# 4 estasp(rdidas hay +ue a:adir el rendimiento de los sistemas de transormacinde la energa hidrulica en energa el(ctrica, +ue aun+ue actualmente sonmuy e-cientes, inevitablemente, son menores del 6''D#

c) Turbina hidrulica

Una turbina hidrulica es un elemento +ue aprovecha la energa cin(tica ypotencial del agua para producir un movimiento de rotacin +ue, transeridomediante un eje, mueve directamente una m+uina o bien un generador+ue transorma la energa mecnica en el(ctrica#

En cuanto a su modo de uncionamiento, se pueden clasi-car en dosgrupos3

Turbinas de accin

Turbinas de reaccin

Las turbinas de accin aprovechan /nicamente la velocidad del 7ujo deagua, mientras +ue las de reaccin aprovechan adems la p(rdida depresin +ue se produce en su interior#

Tipos de turbinas hidrulicas

El tipo de turbina de accin ms conocido es la turbina .elton, +ue seemplea generalmente para saltos de agua de gran altura 0ms de &' m2,pero e%isten otros como la turbina Turgo y la de 7ujo cruzado 0tambi(nconocida como turbina 8ssberger o Fan?iGitchell2#

Los principales tipos de turbina de reaccin son los siguientes3 turbina9rancis, $eriaz, H(lice, turbina Iaplan, Tubular y Fulbo# La turbina 9rancis es

Energas No 5onvencionales .gina A


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muy utilizada en saltos de altura media 0& a 6'' m2 y la turbina Iaplan lo esen los saltos de baja altura 0menos de 6' m2#

La potencia de un salto de agua viene dada por la siguiente rmula3

N=rgQh

$onde3

J potencia en KrJ rendimiento del sistema, +ue depende del tipo de turbina,

adimensional#gJ aceleracin de la gravedad en m@s!J caudal de agua msico en ?g@s"J altura de salto en m#

$e acuerdo con lo anterior, una misma potencia se puede conseguir congran altura de salto y poco caudal 0centrales hidroel(ctricas de monta:a2,pe+ue:o salto y gran caudal 0centrales de llanura2 o con valores medios deambas magnitudes 0centrales de pie de presa, generalmente2#

Turbina Pelton3 es uno de los tipos ms e-cientes de turbina hidrulica# Esuna turbo m+uinamotora, de 7ujo transversal, admisin parcial y deaccin# 5onsiste en una rueda 0rodete o rotor2 dotada de cucharas en superieria, las cuales estn especialmente realizadas para convertirla energade un chorro de agua +ue incide sobre las cucharas#

Turbina Francis: *e trata de una turbom+uinamotora a reacciny de 7ujo

mi%to#Las turbinas 9rancis son turbinas hidrulicas+ue se pueden dise:ar

para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en

rangos de desnivel +ue van de los dos metros hasta varios cientos de

metros# Esto, junto con su alta e-ciencia, ha hecho +ue este tipo de turbina

sea el ms ampliamente usado en el mundo, principalmente para

la produccin de energa el(ctricamediante centrales hidroel(ctricas#

#. Materiales

.ara este laboratorio se utilizaron los siguientes materiales#

Energas No 5onvencionales .gina M
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica


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$. %rocedi&ientos

.ara poder obtener energa el(ctrica en la prctica se siguieron lossiguientes procedimientos3

*e

arm el sistema de tuberas, haciendollegar los tubos desde el tercer piso hastael suelo uni(ndose con una manguera paratransportar el 7ujo de agua +ue proporcionaun tan+ue ubicado en el tercer piso de la9aculta de "ngeniera#

*e mide el caudal en unas probetas ymidiendo el tiempo con un cronmetro# La rmula para hallar elcaudal es3

Q=V

t

$onde B es el caudal, es el volumen en mA

y t es el tiempo ensegundos#

Energas No 5onvencionales .gina &

Fig 5: istema deFi !: TurbinaFig ": Turbina

Fig #: $ultitester %

9ig C3


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Luego pasamos a conectar elvoltmetro con la turbinas paramedir la cantidad de energa +ue se

genera al mover los alabes con elagua#

9inalmente abrimos la llave para+ue salga el 7ujo de agua ycomience a mover los alabes deambas turbinas mientras se vagenerando y midiendo el voltaje#

'. (esultados

&'T(:J ;''mltJ ;#&'segHJ O#&Am

Tabla N 1: Ensayos en la TurbinaPelton Tabla N 2:

Ensayos en la Turbina Francis

Energas No 5onvencionales .gina P

1)

E*+,O

2)

E*+,O

Tie&-o

s/

oltaje

02

oltaje

02$ ;#6' ;#''

10 ;#6& 6#M

1$ ;#6' 6#A'

20 ;#6& '#C

2$ ;#6M 6#

30 ;#'O ;#6C3$ ;#'' ;#A;

#0 6#C' ;#;O

#$ 6#O 6#&

$0 6#A ;#6C

$$ ;#'& 6#CP

'0 ;#'' 6#;'

'$ 6#O 6#&&

0 ;#6' 6#P

$ 6#O 6#&

0 6#O; ;#;C$ 6#O& ;#'A

0 6#OC 6#P&

$ 6#OO 6#C

100 6#' ;#''

10$ 6#OP 6#6C

110 6#CO 6#C6

14

E*+,O

2)

E*+,OTie&-o

s/

oltaje

02

oltaje

020 ;#O' ;#P'

$ ;#O' 6#'10 ;#C' 6#&'

1$ ;#&A 6#AM

20 ;#MO '#O'

2$ ;#&' '#C&

30 ;#OO '#P&

3$ ;#' 6#C

#0 ;#O' 6#'

#$ ;#M ;#''

$0 ;#A' 6#M

$$ ;#;O ;#'6'0 6# ;#'&

'$ 6#AP ;#MO

0 ;#MP ;#M'

$ 6#' ;#C;

0 ;#;' ;#AC

$ ;#'' ;#AM

0 6#' 6#P6

$ ;#'' 6#P6

100 ;#A 6#MO

10$ 6# 6#&;110 6#AP ;#''


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Tabla N 3: Promedio de Voltaje de la turbinas con su respectiva

efciencia

'#''

'#&'

6#''

6#&'

;#''

;#&'

A#''

.ELT8N9rancis

Energas No 5onvencionales .gina C

Turbinas %ro&edio de

5oltaje 5/

E6ciencia 7 8

7%elton ;#'P '#O9rancis 6#O '#'


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914N5"* .ELT8N

6#O'

6#O&

6#'

6#&

;#''

;#'&

;#6'

6#O

;#'P

Calculando la potencia en la turbina Pelton

Terica

P=Qgh

P=0.00008m

3

s 1000

kg

m39.81

m

s28.53m0.98

P=6.56Watts

Energas No 5onvencionales .gina O

9ig# O3 oltajes promedio de los ensayos de la turbinas a

9ig# 3 oltajes promedio de las turbina


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Prctica

1esistencia3 '#C ohm#

P=V2

R

P=(2.06V)2

0.97ohm

P=4.37Watts

*iendo el error porcentual de3

e=6.564.37

6.56100=33.4

Calculando la potencia en la turbina Francis

Terica

P=Qgh

P=0.00008m

3

s 1000

kg

m39.81

m

s28.53m0.90

P=6.02Watts

Prctica

1esistencia3 '#CC6 ohm#

P=V

2

R

1.89V

2

P=

Energas No 5onvencionales .gina


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P=4.63Watts

*iendo el error porcentual de3

e=6.024.63

6.02100=23.1

.elton 9rancis

'

6

;

A

M

&

P

C

M#ACM#PA

P#&PP#';

.ractica

Teorica

. :iscusiones

Energas No 5onvencionales .gina 6'

9ig#6'3 5omparacin de los potenciales terico y prctico de


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En las 9igura O, se observa +ue para el mismo tiempo se generar distintosvalores, esto puede ser e%plicado por la variacin de caudal ya +ue al hacerpresin en la manguera para +ue salga el chorro de agua este se modi-camientras medimos el voltaje# .ero tambi(n se observa +ue en la turbina.elton se genera ms voltaje en casi todo el tiempo de la medicin#

En la 9igura se observa +ue la turbina .elton tiene mayor voltaje +ue laturbina 9rancis esto se debe a +ue la turbina .elton toma el OD de laenerga +ue agua transmite, es decir el chorro de agua +ue golpea susalabes inmediatamente los mueve para generar energaQ en cambio laturbina 9rancis primero atrapa el agua la cual utiliza para moverse, en esemomento donde retiene el agua, esta pierde e-ciencia# .or este motivo la.elton es ms e-ciente +ue la 9rancis#

.ara hallar la potencia terica se utiliza la ecuacin3

P=Qgh

$onde la e-ciencia har la dierencia en el potencial de las turbinas# *iendomayor la e-ciencia de la .elton +ue la de la 9rancis, obviamente ser mayortambi(n el potencial terico#

.ara hallar el potencial prctico, tenemos +ue tener las resistencias de lasturbinas, siendo '#6ohm en la turbina .elton y '#CC6ohm en la turbina9rancis#

.ara hallar el potencial prctico utilizamos la siguiente ecuacin3

P=V

2

R

$onde es el voltaje y 1 es la resistencia#

4l tener dierentes resistencias no slo nos va a modi-car el resultado sinotambi(n en +ue se ver +ue la turbina 9rancis tiene mayor potencialprctico +ue la turbina .elton# Esto se observa en la 9igura 6' donde sehacen las comparaciones de los potenciales tericos y prcticos obtenidos#

. ;onclusiones

*e obtuvo energa el(ctrica en las dos turbinas mediante un chorro de agua,circulando por un tubo de O#&A de altura#

Los voltajes promedios +ue se obtuvieron de los ensayos en la practica decada turbina son ;#'P para la turbina .elton y 6#O para la turbina9rancis#

La turbina .elton tiene mayor potencia terica +ue la turbina 9rancis debidoa +ue la turbina .elton toma el OD de energa +ue gener el agua, encambio la turbina 9rancis slo toma el 'D# En esta ecuacin no se necesitavoltaje#

La turbina 9rancis tiene mayor potencia prctica +ue la turbina .elton

debido a +ue la turbina 9rancis tiene una resistencia de '#CC6 ohm, encambio la turbina 9rancis toma tiene ',6 ohm y al remplazar en la

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ecuacin para hallar la potencia practica, el potencial de la turbina 9rancisser mayor por tener menor resistencia ya +ue sus voltajes son casisimilares#

. (eco&endaciones

4ntes de instalar el sistema, realizar una limpieza a todas las tuberas, paraevitar posibles obstrucciones debido al tiempo +ue ha estado en desuso#

Hacer ingresar a la tubera agua +ue no tenga una concentracin de durezatan alta#

4l culminar la prctica, todo grupo de laboratorio, debe lavar las tuberas yveri-car +ue en su interior no se haya depositado materiales o sustanciasno deseadas#

10. (e

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