investigación de máquinas hidráulicas

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍFACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS, FÍSICAS Y

QUÍMICASESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

MARÍA BELÉN CEVALLOS GILER QUINTO “C”

CAPÍTULO V: DEFINICIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS

Órgano fundamental de una Central hidroeléctrica. Son las turbomáquinas que transforman la energía hidráulica en mecánica.

Reciben agua con una gran cantidad de movimiento y hacen que disminuya, para así generar una fuerza propulsora y con ella un par motor, que hace girar al generador, mediante el cual se produce la energía eléctrica.

TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS

Tipos de

Turbinas

De acción

Turbina Pelton

De reacció

n

Turbina Francis

Hélice Kaplan Bulbo Deriaz Straflo

Grado de reacción de una turbina

Es el cociente entre la altura de presión y la altura total que absorbe la turbina

Si σ=0 la turbina se denomina de acción

Si σ>0 la turbina se denomina de reacción

Turbinas de acción (Vena Libre)

El agua mueve el rodete exclusivamente con energía cinética. Es decir las turbinas Pelton.

Tipo de central en que se utilizan

Se emplean en centrales hidroeléctricas cuyo salto sea grande y el caudal relativamente pequeño, es decir en aquellos casos en que la relación caudal- altura es reducida.

Elementos

El inyector: es una tobera de forma apropiada a guiar el chorro de agua sobre las álabes o palas del rodete,de esta forma la energía de presión que el agua posee a su entrada se convierte totalmente en energía cinética.

Rodete o receptor

Consta de un cierto número de alabes o palas en forma de concha y dispuestas en la periferia de un disco sujeto al eje. El chorro formado a la salida de cada inyector incide sobre los álabes, convirtiendo la energía cinética del agua en energía mecánica.

Turbinas de Reacción (De Vena Forzada)

Utilizan energía cinética y de presión para mover el rodete. A este grupo corresponden las turbinas: Francis, Hélice, Kaplan, Deriaz, Bulbo y Straflo.

Tipo de central en que se utilizan

Las centrales hidroeléctricas con turbinas de reacción están ubicadas en el cauce medio o terminal de los ríos, incluso en su propia desembocadura, como es el caso de las centrales mareomotrices, que aprovechan tanto el propio caudal del río, como el flujo y reflujo de las mareas.

Elementos

El distribuidor en este caso rodea todo el rodete, llegando el agua por la totalidad de la periferia de éste, siendo por tanto la admisión del agua total.

Rodete

El rodete, único órgano transformador de energía hidráulica en mecánica en esencia está formado por el cubo, unido al eje, y una serie de alabes dispuestos en la periferia de aquél.

El agua a la salida del rodete penetra en un tubo llamado tubo difusor, generándose a su entrada una depresión, cuya misión fundamental es aumentar la energía hidráulica absorbida por el rodete.

El tubo difusor desemboca en el canal de desagüe, que devuelve el agua al cauce natural.

Diferencias Fundamentales

TURBINAS TIPO PELTON

Consta fundamentalmente del distribuidor (inyector) y de la rueda (rodete). Puede ser de un, dos, cuatro o seis chorros.

Turbinas Tipo Francis

Son rigurosamente centrípetas, permite el uso de un tubo para conducir el agua a la salida del receptor.El campo de aplicación es muy extenso, pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente).

TURBINAS TIPO KAPLAN

Tienen la posibilidad de reorientar los álabes. Se emplean en saltos de pequeña altura

(alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante).

TURBINAS TIPO HÉLICE

El receptor toma la forma de hélice de propulsión.

TURBINAS TIPO DERIAZ

Los álabes del receptor están articulados y pueden variar el ángulo de inclinación de las mismas.

Por la forma inclinada de sus álabes pueden ser consideradas como turbinas diagonales.

FUNDAMENTOS DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Máquinas Hidráulicas : son aquellas que utilizan como medio intercambiador de energía un fluido que se comporta como incompresible: bomba hidráulica, ventilador turbina hidráulica, aerogenerador etc.

Clasificación de las máquinas hidráulicas de acuerdo al sentido

de conversión de energía.

Máquinas motoras: transforman la energía del fluido en movimiento de las máquinas por ejemplo turbinas hidráulicas y eólicas, motores hidráulicos.

Máquinas generadoras: la energía mecánica se transforma en hidráulica, por ejemplo bombas y ventiladores.

Clasificación de máquinas hidráulicas por su principio

de funcionamiento

Turbomáquinas: disponen de un órgano fundamental que gira sobre su eje, donde se produce el intercambio de energía, que recibe el nombre de rodete o impulsor. Estas máquinas se denominan también rotodinámicas.

Máquinas de desplazamiento positivo (Volumétricas)

Consiguen de forma diversa, mediante succión, atrapar el líquido en un pequeño recinto y cerrado éste, lo desplazan hacia otro punto de la máquina sometido a presión donde lo depositan. Estas máquinas son reversibles.

Las máquinas de desplazamiento positivo, se dividen a su vez en máquinas alternativas y rotativas, según que el órgano intercambiador de energía se desplace alternativamente o gire alrededor de un eje.

Tipos de Bombas Rotativas

Existen numerosos tipos de bombas rotativas de difícil clasificación. Entre las principales tenemos:

BOMBAS DE ENGRANES

Son bombas en las cuales hay uno o más engranes para efectuar la acción de bombeo. Es característico que uno de los engranes sea capaz de conducir a los otros.

Engranes externos

Engranes internos

Bombas de Tornillo

Tienen de uno a tres tornillos que giran en una caja fija. Existe un gran número de diseños apropiados para varias aplicaciones.

Bomba de tornillo doble

Bombas de paletas

PALETAS DESLIZANTES PALETAS FLEXIBLES

Usan paletas que presionan contra la carcaza por la fuerza centrífuga del motor

Su bombeo maneja productos livianos, viscosos, sensibles al esfuerzo de corte y con partículas.

Bombas de lóbulos

Las superficies radiales del rotor tienen forma redondeada que permiten que los rotores estén continuamente en contacto entre sí, a medida que giran.

Bomba de pistón circunferencial

El fluido se bombea entre los espacios de las superficies del pistón; no hay contacto real entre las superficies del pistón.

Ecuación de la continuidad (Conservación de la masa)

Herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos con diámetro variable.

Su forma diferencial es:

donde ρ es la densidad t el tiempo la velocidad del fluido. Es una de las tres ecuaciones de Euler

CAPÍTULO VI: FUNDAMENTOS DE TURBOMÁQUINAS

HIDRÁULICAS

Intercambian energía hidráulica en mecánica, o a la inversa, gracias a la variación de la cantidad de movimiento que se produce al pasar el fluido de manera continua por los conductos de su órgano fundamental, que gira sobre su eje, denominado rodete.

Elementos fundamentales

El rodete es la parte fundamental de la máquina, de tal manera que en ciertos casos se hace la abstracción de considerarlo como único elemento de aquella.

Su parte fundamental por son los álabes

Rodete

El rodete es el único lugar de la máquina donde se produce la transformación energética fundamental de la máquina, es decir donde la energía hidráulica se convierte en mecánica, o a la inversa.

Partes del rodete

LlantaCubo

ÁlabesConductos por donde discurre el flujo

Clasificación de las Turbomáquinas Hidráulicas

Turbomáquinas axiales: la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralelo al eje de rotación. Trabajan con caudales grandes y alturas pequeñas (gran relación caudal / altura)

Turbomáquinas radiales

La trayectoria que sigue el fluido es principalmente normal al eje de rotación. Trabajan con caudales relativamente pequeños y alturas relativamente grandes,(relación caudal / altura reducida)

Turbomáquinas diagonales

Flujo diagonal al eje de rotación. Trabajan con relaciones caudal/ altura intermedias

CONCEPTOS EN TURBINAS: ALTURAS (energías)

Altura Real (Hr)

Es la energía mecánica recibida por el generador eléctrico.

Altura efectiva (He)

Es la energía mecánica obtenida por la turbina, se denomina también altura útil (Hu).

Altura neta (Hn).

Es la energía, lógicamente hidráulica, puesta a disposición de la turbina. Es frecuente denominar a la altura salto

CAUDALES

Caudal útil (Qu) es aquél que atraviesa el

rodete.

Caudal perdido (Qp) es aquella parte del caudal

total que no atraviesa el

rodete.

Caudal total o turbinable (Qt)

es el caudal que recibe la turbina.

Qt = Qu + Qp

POTENCIAS

Potencia real (Pr) Potencia mecánica recibida por el

generador. También se denomina potencia al freno o al eje.

Pr = ρ g Qu Hr

Potencia efectiva (Pe)

Potencia mecánica producida por la turbina también se denomina útil. Pe = ρ g Qu He

Potencia neta (Pn)

Potencia hidráulica puesta a la disposición de la turbina. Pn= ρ g Qt Hn

PÉRDIDAS

Pérdidas volumétricas (Qp). Se trata del caudal perdido y no aprovechado.

Pérdidas orgánicas o mecánicas (hfo).

Son las pérdidas mecánicas existentes en los elementos mecánicos de la máquina.

Pérdidas hidráulicas o manométricas (hfh o hfm).

Pérdidas de energía producidas al atravesar el fluido la turbina por rozamiento y cambios de sección y dirección en los conductos.

RENDIMIENTOS

Rendimiento orgánico o mecánico (ηo).

Evalúa el comportamiento mecánico de la turbina. ηo = Hr/He

Rendimiento manométrico o hidráulico (ηm o ηm).

Evalúa el comportamiento hidráulico de la turbina. ηm = He/Hn

RENDIMIENTOS

Rendimiento global (ηg). Es el producto de los tres rendimientos

anteriores. ηg = ηm ηo ηv

Rendimiento volumétrico (ηv).

Contempla las pérdidas volumétricas. ηv= Qu/Qt

CAPÍTULO VII: CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Una central hidroeléctrica es aquella que utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica.

La energía hidráulica que posee el agua en sus cursos naturales, las turbinas hidráulicas la transforman en energía mecánica y los generadores, por último, en energía eléctrica.

FORMACIÓN DEL SALTO DE AGUA

La naturaleza presenta magníficos saltos naturales, que con ligeras transformaciones y sin grandes costos, pueden aprovecharse para construir una central hidroeléctrica.

Formas de crear Saltos Artificiales

Elevando la cota natural del agua mediante una presa dispuesta en el cauce natural

Por medio de la derivación del cauce natural del río por un canal de menor pendiente que aquel, hasta obtener entre ambos la diferencia de niveles que se crea conveniente.

ELEMENTOS FUNDAMENTALES

Presa

Se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma.

Canal de derivación

Se utiliza para llevar el agua desde la presa hasta las turbinas de la central.

En muchos casos se evita el canal y se aplica directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua.

DEPÓSITO DE CARGAEl depósito de carga regula el caudal a tiempo corto, para responder a las variaciones de las necesidades de agua de las turbinas

TUBERÍA FORZADA

En la tubería forzada se produce la transformación de energía hidráulica de posición en energía hidráulica de velocidad y presión, fundamentalmente esta última.

SALA DE MÁQUINAS

En la sala de máquinas la energía hidráulica de velocidad y presión se transformará sucesivamente en energía mecánica en las turbinas hidráulicas y en eléctrica en los generadores eléctricos.

El canal de desagüe devuelve el agua al río. También puede aprovecharse simultáneamente un río con sus afluentes e incluso ríos distintos.

CANAL DE DESAGÜE

CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDRÁULICAS

Por la forma de utilizar el agua del río

De agua fluyente

No cuentan prácticamente con reserva de agua,

oscilando el caudal suministrado según las

estaciones del año.

De agua embalsada

El proviene de grandes lagos, o pantanos

artificiales, conocidos como embalses,

conseguidos mediante la construcción de

presas.

De agua embalsada

De regulación

Son centrales con posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan

períodos mas o menos prolongados, de aportes

de caudales medios anuales.

De bombeo

Centrales que acumulan mediante bombeo, es decir se pueden comparar a los acumuladores de energía

potencial

Por la altura del salto •El

valor del salto hidráulico es superior a los 200 m, siendo los caudales relativamente pequeños ≅ 20 m 3/s. Están en zonas altas de montaña.

De alta presión

•Las que disponen de saltos hidráulicos entre 200 y 20 m, desaguando caudales de hasta 200 m 3/s. Dependen de embalses relativamente grandes

De media presión

•Asentadas en valles amplios de baja montaña. El salto es inferior a 20 m y los caudales pueden superar los 300 m3/s.

De baja presión

BENEFICIOS

Energía eléctrica, que apoya el desarrollo económico y mejorar la calidad de la vida en el área servida.

Requiere mucha mano de obra y ofrecen oportunidades de empleo.

Los caminos y otras infraestructuras pueden dar a los pobladores mayor acceso a los mercados, escuelas, cuidado de salud y otros servicios sociales.

BENEFICIOS

Proporciona una alternativa para la quema de los combustibles fósiles, o la energía nuclear, que permite satisfacer la demanda de energía sin producir agua caliente, emisiones atmosféricas, ceniza, desechos radioactivos ni emisiones de CO2.

Si el reservorio es una instalación de usos múltiples, los otros beneficios pueden incluir el control de las inundaciones y la provisión de un suministro de agua más confiable y de más alta calidad para riego, y uso doméstico e industrial

Pueden crear pesca en el reservorio y posibilidades para producción agrícola en el área del reservorio que pueden más que compensar las pérdidas sufridas por estos sectores debido a su construcción.

DESVENTAJAS

Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.

La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas

La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.

CAPÍTULO VII: CENTRALES TÉRMICAS

Instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón). Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Libera dióxido de carbono.

Centrales termoeléctricas de ciclo convencional

Emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.

Componentes de una central térmica

La Caldera

Las calderas tienen quemadores adecuados para el tipo de combustible que usan y una cámara de combustión rodeada de un tubo muy largo que da muchas vueltas en la caldera para que el agua se sobrecaliente, y por lo tanto y de unas temperaturas que oscilan entre los 300 y 400 grados centígrados.

Las turbinas

Son la parte más importante de la central ya que son las encargadas de mover el generador para producir la electricidad.

Están diseñadas para soportar una temperatura de unos 600º C y una presión de unos 350 bares.

El condensador

Es el encargado de condensar el vapor que se encarga de mover la turbina para que pueda volver a ser utilizado

Torres de refrigeración

Se encargan de mantener baja la temperatura del condensador, garantizando el correcto funcionamiento de la central.

El agua que refrigera el condensador es enfriada en las torres de enfriamiento al entrar en contacto con el aire frío que circula a través de ellas.

Las Chimeneas

Las altas chimeneas que se encuentran en la caldera se encargan de expulsar a la atmósfera los gases producidos durante la combustión.

Posen filtros que evitan que las cenizas salgan directamente a la atmósfera. Además tienen una gran altura para evitar contaminar las zonas de los alrededores a la central.

El generador

Es el encargado de producir la electricidad.

OTRAS PARTES DE LA CENTRAL TÉRMICA

Son todas las tuberías y bombas que transportan todo el agua a través de toda la central y los potentes ventiladores que introducen aire en la caldera para facilitar la combustión.

Centrales termoeléctricas de ciclo combinado

 Es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos máquinas generadoras:

a) Un turbogrupo de gasb) Un turbogrupo de vapor

Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar energía eléctrica.Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales solo funciona la turbina de gas; a este modo de operación se lo llama ciclo abierto. Consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

Impacto ambiental

La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente.

El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y ácidos de azufre que contaminan en gran medida la atmosfera.

En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas.

Las centrales de gas natural pueden funcionar con el llamado ciclo combinado, que permite rendimientos mayores (de hasta un poco más del 50%), lo que todavía haría las centrales que funcionan con este combustible menos contaminantes.

Ventajas de las centrales Térmicas

Son las centrales más baratas de construir), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad de construcción y la energía generada de forma masiva.

Producen mucha energía.

Las cenizas producidas se pueden utilizar para la construcción.

Desventajas de las Centrales Térmicas

El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes que pueden contener metales pesados.

Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica.

Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en estos.• Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el

microclima local.