¡Descarga Diseño y Construcción de una Turbina Hidráulica: Un Proyecto de Ingeniería para la Generac y más Monografías, Ensayos en PDF de Dinámica Oceánica solo en Docsity!
Instituto Tecnológico Del Putumayo Tecnología en obras civiles Proyecto: Turbina Hidráulica (Molino) Nombre Del Proyecto: Solo Inges Materia: física Dinámica Docente: Ing. Fabian Alejandro Achicanoy Integrantes: Beyker Jose Herves Lartigues Ken Alejandro Rosero Córdoba Sebastián Edilber Mena Díaz Franklin Leonel Jamioy Buesaquillo Darwin Jhonathan Calpa Chicunque Edwin Jefferson Bastidas Ascuntar Robinson Javier Córdoba Ortega Felipe Alejandro Meneses Delgado Colón Putumayo Subsede Sibundoy - Ampliación Colón Lunes 18 de octubre de 2024
Resumen Este proyecto se centra en el diseño, construcción y análisis de una turbina de agua tipo molino (turbina hidráulica), que aprovecha el flujo de la corriente de agua a una pequeña escala para generar energía eléctrica. El trabajo abarca desde la caracterización del flujo de agua, el diseño geométrico, hasta la evaluación del rendimiento del prototipo bajo diferentes condiciones. También utilizamos fundamentos teóricos como las leyes de la física, entre ellas están la ley de Faraday, ley de la conservación de la energía, ley Lenz, y algunos principios de la dinámica de fluidos para optimizar su eficiencia. Por lo cual uno de los objetivos general es diseñar un prototipo con materiales reciclables de bajo costo, buscando maximizar la eficiencia en la conversión de energía cinética a energía rotacional.
Introducción El aprovechamiento de la energía hidráulica ha sido una de las fuentes renovables mas antiguas y efectivas utilizadas por la humanidad para generar energía. Las turbinas de agua representan un componente clave dentro de esta tecnología, transformando la energía cinética de corrientes de agua en energía mecánica que puede ser convertida en electricidad o utilizada directamente para diversas aplicaciones. Este proyecto se centra en el diseño, construcción y análisis de una turbina de agua tipo molino, optimizada para aprovechar el flujo de ríos o corrientes naturales a pequeña escala. El objetivo principal es evaluar la eficiencia, diseño y con cálculos obtenido de la turbina en la conversión de energía del flujo hidráulico en energía rotacional, así como explorar su viabilidad en diferentes entornos acuáticos. Con el incremento de la demanda por fuentes de energía sostenible y amigable con el ambiente, el desarrollo de soluciones innovadoras como las turbinas de agua puede contribuir significativa, ente a la reducción de emisiones de carbono o conocido como el CO 2 y también al suministro de energía a comunidades remotas. El proyecto abarca desde la caracterización del flujo de agua, el diseño geométrico de la turbina, hasta la evaluación de su desempeño bajo diferentes condiciones de operación. De esta manera se sustenta con la información obtenida e investigada mediante documentos y archivos donde podemos encontrar leyes y principios creados para el entendimiento y elaboración de la turbina de agua.
Justificación Este proyecto permite demostrar como principios fundamentales de la física, aplicados a través de un diseño práctico y con materiales reciclables, puedan transformar el flujo de la corriente en energía útil. Además, promueve el interés educativo y científico en el ámbito de las energías renovables, facilitando el aprendizaje experimental y el desarrollo de habilidades tecnológicas. La creación de un prototipo accesible y eficiente representa un paso hacia la autosuficiencia energética y el fomento de tecnologías amigables con el medio ambiente, con una capacidad de ser implementadas en comunidades rurales o de difícil acceso. Este proyecto nos ayuda a entender diferentes aspectos de las leyes físicas, por lo cual podemos demostrar y analizar la eficiencia de la turbina hidráulica, también en conjunto esto nos ayuda a promocionar todo tipo de Ingenierias lo cual ayuda a que hallan mas personas interesadas por estudiar una carrera que les ayuda a mejorar en usos de las nuevas tecnologías y el aprovechamiento de energía que favorecen al medio ambiente y nos ayuda a conservar el planeta.
Marco teórico Una turbina hidráulica es un dispositivo que convierte la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica, y posteriormente en energía eléctrica. En este caso, analizaremos cómo esta conversión de energía esta regida por las diversas leyes físicas:
- Ley de conservación de la energía: esta ley establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. En una turbina hidráulica, la energía potencial del agua (debida a su altura) se convierte en energía cinética mientras cae, y esta energía cinética es utilizada para girar las aspas de la turbina, convirtiéndose así en energía eléctrica mediante un generador.
- Ley de Pascal: esta ley establece que cualquier cambio de presión en un fluido incompresible se transmite uniformemente en todas las direcciones. En una turbina hidráulica, esta ley ayuda a comprender como la presión del agua se distribuye a lo largo de las aspas del prototipo, lo que es crucial para el diseño y la eficiencia.
- Ley de Faraday de la inducción electromagnética: según la ley de Faraday, un cambio en el campo magnético dentro de una bobina de alambre induce una corriente una corriente eléctrica en la bobina. En el contexto de la turbina, cuando las aspas giran, mueven un imán dentro del generador, creando un cambio en el campo magnético y generando así una corriente eléctrica.
- Ley de Lenz: esta ley complementa la ley de Faraday y establece que la dirección de la corriente inducida será tal que su campo magnético original. Esto implica que la corriente inducida siempre actuara para oponerse al movimiento del imán, un factor que debe considerarse en el diseño del generador para maximizar la eficiencia.
- Principio de Momentum: explica como el flujo de agua ejerce una fuerza sobre las aspas de la turbina, haciendo que estas giren, el Momentum del agua en movimiento se transfiere a las aspas, generando energía mecánica en forma de rotación.
- Teorema de Bernoulli: establece que la suma de la energía potencial, cinética y de presión en un flujo constante de un fluido. Es crucial para entender como las variaciones en la velocidad y la presión del agua afectan el diseño y la eficiencia de la turbina.
Metodología La turbina de agua opera bajo leyes y principios como son la ley de Faraday, Lenz, el principio de la conservación entre otros. Donde el diseño comienza seleccionando un rin de bicicleta como la parte fundamental del cuerpo del proyecto, luego las aspas la cual van a garantizar una buena ejecución de la fuerza ejercida por el flujo de agua y la velocidad del eje, la cual se fijará con remaches que serán resistente. La fase de planificación debe incluir la definición de objetivos, como la velocidad deseada o el tiempo de movimiento. La construcción de la turbina, se debe al tener un buen eje de rodamiento y conjunto a ella las aspas, las cuales van a recibir la fuerza del agua y generaran movimiento. Se debe calcular la cantidad optima de aspas y el flujo de la corriente de agua lo cual es necesario para alcanzar el rendimiento deseado, lo cual puede requerir experimentación y ajustes. Además, es muy importante considerar la inclusión de un sistema el cual mediante las revoluciones y un dinamo podremos generar un flujo de corriente. Nuestra metodología también debe abordar el análisis de datos antes del ensayo de la turbina, que incluye el análisis de revolución, velocidad angular y normal, y la evaluación del rendimiento en comparación con las predicciones teóricas. Este análisis puede ayudar a identificar el área de mejora para eficiencia en velocidades y revoluciones. Por último, es fundamental registrar todo el proceso, desde la concepción hasta la conclusión del proyecto, para facilitar la replicación y la mejora continua desde el diseño y pruebas de la turbina hidráulica. Para nuestro proyecto de agua debemos tener una exhaustivas y sistemática investigación, asegurando que cada paso, desde la conceptualización hasta la ejecución, este bien planificado y documentado. Lo cual no solo garantiza la seguridad y el éxito del proyecto, sino que también proporciona una base sólida para la educación y el interés en la ciencia y la ingeniería.
dentro de un campo magnético. Lo cual esta ley es una relación fundamental basada en las ecuaciones de maxwell. Sirve como un sumario abreviado de las formas en que se puede generar un voltaje, por medio del cambio del entorno magnético (Universidad de Buenos Aires, 2018). Ley de Lenz Esta ley es un principio fundamental de la física electromagnética que describe la dirección de la corriente inducida en un conductor cuando este es atravesado por un campo magnético cambiante. Fue formulada por el físico alemán Heinrich Lenz. Lo que hace que esta ley sea fundamental para el diseño y funcionamiento de los generadores electromagnéticos acoplados a las turbinas hidráulicas, asegurando una conversión eficiente y estable de la energía mecánica del agua en energía eléctrica. Es fundamental para el diseño y funcionamiento de los generadores electromagnéticos acoplados a las turbinas hidráulicas, asegurando una conversión eficiente y estable de la energía mecánica del agua en energía eléctrica (Universidad Zaragoza, s.f). Teorema de Bernoulli Este teorema de Bernoulli es fundamental en la dinámica de fluidos y se aplica de manera significativa en el funcionamiento de las turbinas hidráulicas. Este teorema establece que, en un flujo estacionario, la suma de la energía de presión, la energía cinética y la energía potencial por unidad de volumen es constante a lo largo de cualquier línea de corriente. Lo cual este teorema es crucial para entender y diseñar las turbinas hidráulicas, asegurando la eficiencia en la conversión de la energía del agua en energía utilizable (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, s.f). Principio de Momentum El principio del Momentum es crucial para entender como una turbina hidráulica convierte la energía del flujo de agua en energía mecánica. Este principio del Momentum, también conocido como cantidad de movimiento, establece que el cambio en el Momentum de un cuerpo es igual a la fuerza neta aplicada sobre el multiplicada por el tiempo durante el cual se aplica esa fuerza. El principio explica como la energía del flujo de agua se transfiere y se convierte en energía mecánica en una turbina hidráulica. La compresión y aplicación de este principio son fundamentales para diseñar turbinas eficientes y efectivas (Universidad de Nebrija, s.f). Ley de Ohm La ley de ohm es fundamental en el estudio de los circuitos eléctricos y se aplica también en el contexto de la generación de energía mediante una turbina de agua, especialmente en la parte del sistema que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Lo cual es que esta ley establece que la corriente eléctrica que circula por un conducto es directamente proporcional al voltaje aplicado e
inversamente proporcional a la resistencia del conductor. La ley de Ohm es esencial en el diseño y funcionamiento de los generadores eléctricos acoplados a turbinas hidráulicas, asegurando una conversión eficiente y segura de la energía mecánica a energía eléctrica (Vital Martínez, 2008). Principio de la conservación de la energía El principio de la conservación de la energía es uno de los pilares fundamentales de la física. Establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. Este principio tiene aplicaciones vastas y profundas en todas las áreas de la ciencia y la ingeniería. En la turbina hidráulica este principio, nos ayuda entender la conversión de energía potencial y cinética, y como podemos transformar la energía del movimiento. Lo que asegura que toda energía potencial del agua en la represa se puede convertir en energía cinética, que luego se convierte en energía mecánica y finalmente en energía eléctrica. A través del diseño y la optimización basados en este principio, se puede construir turbinas hidráulicas que maximicen la eficiencia y minimicen las perdidas, haciendo un uso más eficaz de los recursos (Universidad Tecnologica de Pereira, 2007). Durante las exposiciones con los estudiantes de los grados 11, logramos una participación significativa, con la mayoría de los alumnos atentos a nuestras explicaciones sobre como el enfoque pedagógico y el enfoque creativo nos ayudan a desarrollar proyectos investigativos. Además, promovimos e incentivamos a los estudiantes a considerar la ingeniería civil en nuestro Instituto Tecnológico del Putumayo, así como otras ramas de la ingeniería. En la presentación que realizamos en los distintos colegios, explicamos las leyes, teoremas y principios que aplicamos en la elaboración de una turbina hidráulica. Mostramos cómo se puede generar energía a partir del flujo del agua, aprovechando el movimiento que las fuerzas del agua generan al impactar las aspas de la turbina. Este conocimiento no solo destacó la relevancia de la ingeniería en la producción de energía sostenible, sino que también despertó el interés de los estudiantes por el estudio de las ciencias y la tecnología. Lo cual nuestras exposiciones no solo proporcionaron una compresión profunda de los conceptos técnicos, sino que también inspiran a las futuras generaciones a enfocarse en los estudios de todas las ramas de las ingeniería.
Objetivó 2 En la siguiente página, podrás observar el cálculo de las revoluciones generadas por la turbina a partir de la velocidad del agua, determinando así el número exacto de revoluciones de la turbina hidráulica. Figura 1 Cálculos con datos de movimiento de la turbina. Nota. Calculo sacado con los respectivos datos.
Figura 2 Cálculos con datos de movimiento de la turbina. Nota. Calculo sacado con los respectivos datos.
Tabla 4 Evidencia de la construcción de la turbina de agua y base. Rin Elemento que ayuda a sostener las aspas y facilita el movimiento, el cual el eje esta unido al dinamo para que con el movimiento este nos genere revoluciones por segundo. Dinamo Es un alternado el cual nos genera una corriente alterna aproximadamente 12 voltios, lo cual puede encender una tira LED y bombillitos LED de menor resistencia. Tubo PVC El tubo PVC utilizado para las aspas, se va a sujetar al rin y estará amarrado o sujetado con remaches. Base Para la colocación del rin, esta elaborado con madera eucalipto rojo el cual es muy resistente ante cualquier carga y soporte, el listón es de 4 x 4.
Cables Los cables para la unión con el dinamo y la tira led Cinta LED Es una tira de 1 metro de largo, lo cual para encenderla se necesita una corriente o un flujo de energía de 12 voltios _Link de video de pruebas realizadas, fotos del proceso elaborativo y exposición en los colegios: https://drive.google.com/drive/folders/1h3SOKR6knMI3GTshKdpFFGpRY2k0s0Td?usp=sharing links de videos de guía para la elaboración de la turbina: Museu del Ter (22 de septiembre 2020) construir una turbina hidráulica (CAT-ES-EN-FR). https://youtu.be/mSaX9ur0Nz0?si=geFvRGxrNqGk5Xhw Mancomunidad de la comarca de pamplona (7 de mayo de 2020) visita al molino de San Andrés – Turbina y taller de energía hidráulica. https://youtu.be/2CBv4-5ok18?si=mTUCq1-eTMhPOqQG Construction General (14 de octubre de 2021) Mini Hydroelectricity With 4 Extremely Powerful Water Outlets. https://youtu.be/XEoMydanWI8?si=4uxMHni_fB8iLcj
Conclusión A partir de los datos obtenidos del experimento se calculó la velocidad angular en las dos pruebas. Donde calculamos también las revoluciones totales de dichas pruebas, donde podemos observar que a mayor velocidad de la corriente del rio mayor serán las revoluciones que el proyecto genere. Y a menor velocidad menor serán las revoluciones. El desarrollo de esta turbina de agua es un claro ejemplo de cómo la aplicación de principios de la física puede tener un impacto significativo en la creación de soluciones energéticas accesibles y sostenibles. A lo largo del proyecto, se evidenciaron múltiples desafíos y aprendizajes relacionados con el diseño, la organización de como hacer funcionar y generar energía. Noches de trasnochos para la organización de la turbina, el uso de dinamos, motores, alternadores y demás para así lograr que encender al menos una tirilla LED, observamos una forma mas sencilla de generar energía. Lo que finalmente se pudo lograr y llegar a un gran cometido, que es generar energía mediante el flujo de la corriente del agua, lo que nos ayuda a entender muchos principios de las leyes físicas. Lo que la construcción de la turbina de agua mostró como conceptos teóricos pueden materializarse en soluciones prácticas, destacando la importancia de la física aplicada en el desarrollo de tecnologías renovable. Aunque se identificaron áreas de mejora, como la optimización de materiales y configuraciones, los resultados obtenidos respaldan la viabilidad de esta tecnología para generar energía limpia y accesible. Este tipo de proyectos no solo promueven el uso de fuentes renovables, sino que también incentiva el interés científico y tecnológico en el campo de la energía sostenible.
Referencias BARCO MENDEZ, L. A. (2019). scrib. Obtenido de https://es.scribd.com/user/486391012/LUIS-ANGEL- BARCO-MENDEZ Editorial Etecé. (2023). FISICOQUÍMICA Universitatis Chemia. Obtenido de https://www.quimicafisica.com/fundamentos-de-quimica/ley-conservacion-energia-html.html KathGu. (2018). scribd. Obtenido de https://es.scribd.com/document/393857369/Introduccion- Principio-de-Pascal Universidad de Buenos Aires. (2018). Ley de Faraday. http://materias.df.uba.ar/eoa2018c2/files/2012/07/FARADAY-1-2018.pdf. Universidad de Nebrija. (s.f). Obtenido de https://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/01-Mecanica/06- Cantidad_de_movimiento.pdf Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (s.f). Obtenido de https://ftecnologica.udistrital.edu.co/laboratorios/civiles/sites/lab-civiles/files/practica/2023- 03/Gu%C3%ADa%20TEOREMA%20DE%20BERNOULLI.pdf Universidad Tecnologica de Pereira. (2007). Obtenido de https://www.redalyc.org/pdf/849/84934087.pdf Universidad Zaragoza. (s.f). Obtenido de https://www.unizar.es/gfgoya/index_archivos/CLASES/FISICA_II/induccionEM.pdf Vital Martínez, C. (2008). Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Obtenido de https://repository.uaeh.edu.mx/bitstream/bitstream/handle/123456789/20002/ley-ohm.pdf? sequence=1&isAllowed=y
