OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE UNA TURBINA DE FLUJO AXIAL A ...

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE UNA TURBINA DE FLUJO AXIAL

A PARTIR DE LA CARACTERIZACIÓN DEL ALTERNADOR BOSCH®

CAROLINA FONSECA RAMOS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.

ENERO 2006

ii

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE UNA TURBINA DE FLUJO AXIAL

A PARTIR DE LA CARACTERIZACIÓN DEL ALTERNADOR BOSCH®


Proyecto de Grado para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Asesor

ALVARO PINILLA SEPÚLVEDA

Ingeniero Mecánico, M.Sc.,Ph.D.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.

ENERO 2006

iii

Bogotá D.C. 16 de Enero de 2006

Director del Departamento de Ingeniería Mecánica:

Luís Mario Mateus

Universidad de Los Andes

Facultad de Ingeniería

Director

Ciudad

Apreciado Director:

Por medio de la presente someto a consideración suya el proyecto de grado titulado

“Optimización del Diseño de una Turbina de Flujo Axial a partir de la Caracterización

del Alternador BOSCH®”, el cual continua con la investigación del desempeño de turbinas de

flujo axial para la generación de electricidad en zonas rurales.

Considero que éste proyecto cumple con los objetivos propuestos, y lo presento como requisito

parcial para optar por el título de Ingeniero Mecánico.

Cordialmente,


iv

Bogotá D.C. 16 de Enero de 2006

Director del Departamento de Ingeniería Mecánica:

Luís Mario Mateus

Universidad de Los Andes

Facultad de Ingeniería

Director

Ciudad

Apreciado Director:

Por medio de la presente someto a consideración suya el proyecto de grado titulado

“Optimización del Diseño de una Turbina de Flujo Axial a partir de la Caracterización

del Alternador BOSCH®”, el cual continua con la investigación del desempeño de turbinas de

flujo axial para la generación de electricidad en zonas rurales.

Considero que éste proyecto cumple con los objetivos propuestos, y lo presento como requisito

parcial para optar por el título de Ingeniero Mecánico.

Cordialmente,

ALVARO PINILLA SEPÚLVEDA

Ingeniero Mecánico, M.Sc., Ph.D.

v

A mis padres y hermana quienes siempre se han

esforzado en darme lo mejor.

A Germán por ser amigos ante todo y

enseñarme a ver lo bueno de las cosas.

Especialmente a Álvaro Pinilla por haberme dado la oportunidad de realizar este proyecto.

IM-2005-II-13

1

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 7

2. DESCRIPCIÓN DEL ALTERNADOR Y TUTOR BOMBA – TURBINA GILKES ........................... 10

2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................ 10

2.1.1 DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR....................................... 11

2.1.2 APLICACIÓN DEL ALTERNADOR PARA LA EXTRACCIÓN DE ENERGIA ELECTRICA A

PARTIR DE ENERGIAS RENOVABLES .................................................................. 13

2.2 TUTOR BOMBA – TURBINA GILKES .................................................................. 14

3. CORROBORACIÓN DATOS TUTOR BOMBA-TURBINA GILKES......................................... 17

3.1 VALIDACIÓN DE MARTINEZ EN [1]................................................................... 20

4. CARACTERIZACIÓN DEL ALTERNADOR BOSCH® 55A-12V ........................................... 23

4.1 RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................. 25

4.2 ANALISIS DE ERROR.................................................................................... 33

5. PUNTO DE MEJOR OPERACIÓN DEL TUTOR BOMBA – TURBINA GILKES .......................... 37

5.1 RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................. 38

6. CONCLUSIONES Y RECOMEDACIONES ................................................................... 42

7. BIBLIOGRAFÍA................................................................................................ 45

8. ANEXOS........................................................................................................ 46

9. APENDICE ..................................................................................................... 47

9.1. CALIBRACIÓN TORQUÍMETRO TQ501 .............................................................. 48

9.1.1 RESULTADOS OBTENIDOS........................................................................ 49

9.2 CÁLCULO DE ERROR DE PRECISIÓN Y VIAS DE LAS MEDICIONES DE TORQUE.............. 49

9.2.1 RESULTADOS OBTENIDOS........................................................................ 51

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2

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Acople de Turbina, Eje y Alternador de una pico-hidroeléctrica. ............................10

Figura 2. Esquema ilustrativo del estator en el interior de un Alternador..............................12

Figura 3. Despiece de un Alternador. ............................................................................................12

Figura 4. Tutor Bomba- Turbina Gilkes. ........................................................................................14

Figura 5. Parte del Tutor Bomba-Turbina Gilkes. ........................................................................15

Figura 6. Acople en el Tutor Gilkes turbina-eje-Alternador-Carga ............................................18

Figura 7. Conexión Alternador y Carga Instalada........................................................................19

Figura 8. Valor Promedio de Potencia Hidráulica-Potencia Eléctrica-Caudal. ..........................21

Figura 9. Valor Promedio de la Eficiencia de la Pico-Hidroeléctrica-Caudal. ...........................21

Figura 10. Banco de Pruebas para el Alternador BOSCH®........................................................23

Figura 11. Banco de Pruebas. .........................................................................................................24

Figura 12. Cambio de Conexiones y Cable calibre 12.................................................................25

Figura 13. Corriente-Carga Instalada-Velocidad Angular. ..........................................................27

Figura 14. Voltaje-Carga Instalada-Velocidad Angular. ..............................................................28

Figura 15. Torque-Corriente-Velocidad Angular...........................................................................28

Figura 16. Potencia de Entrada-Potencia de Salida-Carga Instalada-Velocidad Angular. .....29

Figura 17. Eficiencia Alternador-Carga Instalada-Velocidad Angular. ......................................30

Figura 18. Eficiencia Alternador-Carga Instalada-Velocidad Angular. ......................................31

Figura 19. Corriente-Velocidad Angular. ......................................................................................32

Figura 20. Eficiencia Alternador a 1300 RPM.............................................................................33

Figura 21. Eficiencia Alternador a 1600 RPM. ..............................................................................34

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3



Figura 24. Tutor Bomba-Turbina Gilkes – Alternador BOSCH®................................................37

Figura 25. Eficiencia-Caudal-Cabeza-1617 RPM...........................................................................39

Figura 26. Eficiencia-Caudal-Cabeza-1814 RPM. ........................................................................40

Figura 27. Eficiencia-Caudal-Cabeza-1814 RPM. ........................................................................41

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4

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Instalaciones Hidroeléctricas en Colombia. ......................................................... 8

Tabla 2. Resultados Corroboración datos Turbina Existente. ............................................ 20

Tabla 3. Resultados de la Eficiencia del Alternador........................................................ 26

Tabla 4. Resultados Eficiencia Pico-Hidroe léctrica. ........................................................ 38

Tabla 5. Resultados Calibración Torquímetro TQ501. .................................................... 49

Tabla 6. Cálculo de l Error Total en la Calibración del torquímetro. ..................................... 51

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5

LISTA DE ECUACIONES

Ecuación 1. ....................................................................................................... 17

Ecuación 2..............................................................................................................................17

Ecuación 3. ....................................................................................................... 17

Ecuación 4. ....................................................................................................... 18

Ecuación 5. ....................................................................................................... 18

Ecuación 6. ....................................................................................................... 18

Ecuación 7. ....................................................................................................... 18

Ecuación 8. ....................................................................................................... 25

Ecuación 9. ....................................................................................................... 33

Ecuación 10. ..................................................................................................... 48

Ecuación 11. ..................................................................................................... 49

Ecuación 12. ..................................................................................................... 50

Ecuación 13. ..................................................................................................... 50

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6

LISTA DE SIMBOLOS

C.A: Corriente Alterna

C.C.: Corriente Continua

1P : Presión punto 1

2P : Presión punto 2

1V : Velocidad del fluido punto 1

2V : Velocidad del fluido punto 2

21 / ZZ :Altura punto 1/Altura punto2

21 / AA : Área transversal punto 1/Área

transversal punto 2

ρ : Densidad del agua = 1000Kg/ 3m

Q: Caudal

H: Cabeza. Energía Potencial del agua.

1H : Diferencia de altura del manómetro de

mercurio para medir caudal

2H : Diferencia de altura del manómetro de

mercurio para medir cabeza

g: Gravedad de la Tierra = 9.81m/s 2

W: Potencia Hidráulica

globalη : Eficiencia del Tutor Gilkes

léctricaPE : Potencia Eléctrica = V*I

V: Voltaje

I: Corriente

τ : Torque

F: Fuerza

X: Distancia

precisiónε : Error de Precisión

víasε : Error de Vías

)/( FT ∂∂ : Derivada Parcial de la Fuerza

respecto al Torque

)/( XT ∂∂ : Derivada Parcial de la Distancia

respecto al Torque

Sfx : Desviación Estándar de la Fuerza

Sx: Desviación Estándar de la Distancia

n: muestra poblacional

tx/2, v: Distribución t-student con grados de

libertad

pesaε : Error de la pesa, vías

:metroε Error del metro, vías

mecánicaP : Potencia Mecánica

ω : Velocidad angular

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7

INTRODUCCIÓN

La hidroelectricidad es uno de los recursos más antiguos de uso de energía “limpia” y renovable,

cuyo adecuado aprovechamiento produce un bajo impacto ambiental. Provee más del 19% del

consumo eléctrico a nivel mundial entre grandes y pequeñas plantas instaladas.

Los sistemas hidroeléctricos relativamente pequeños pueden abastecer de energía a pequeños

municipios. La fuente de agua puede ser obtenida de quebradas, cascadas, lagos u otra forma de

corriente que permita suministrar la cantidad de presión y caudal para la generación de

electricidad.

De acuerdo a su capacidad, las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar de la siguiente forma:

Grandes centrales poseen una potencia superior a los 5MW; Pequeñas centrales poseen una

potencia entre 1MW y 5 MW; Mini centrales poseen una potencia entre 100KW y 1MW; Micro

centrales poseen una potencia entre 1.5KW y 100KW; Pico centrales o Hidrocargadores poseen una

potencia inferior a 1.5KW y sirven para almacenamiento de baterías.

En el año 2004 Colombia tenía una generación de electricidad de 47TWh, según el reporte

estadístico de la BIP en el año 2005. En el año 2004, el consumo hidroeléctrico era del 38.1 TWh.

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8

CENTRAL

Capacidad Bruta MW

C apacidad Efectiva Neta

MWN úmero de Unidades

Año de Puesta en Operación D epartamento

Guadalupe II I 270 270 6 (45MW c/u) 1966 AntioquiaGuadalupe IV 225 202 3 (75MW c/u) 1985 Antioquia

Guatape 560 560 8 (70MW c/u) 1980 AntioquiaLa Tasajera 309 306 3 (150MW c/u) 1994 Antioquia

Playas 201 201 3 (67MW c/u) 1988 AntioquiaPorce II 411 405 3 (135MW c/u) 2001 Antioquia

R io Grande I 75 75 3 (25MW c/u) 1956 AntioquiaT roneras 42 40 2 (21MW c/u) 1965 AntioquiaJaguas 170 170 2 (85MW c/u) 1987 Antioquia

San Carlos 1.240.00 1.240.00 8 (155MW c/u) 1988 AntioquiaChivor 1.000.00 1.000.00 8 (125MW c/u) 1977-1982 BoyacáMiel I 396 396 2002 Caldas

Esmeralda 30 30 2 (15MW c/u) 1963 CaldasSan

Francisco 135 135 3 (45MW c/u) 1969 CaldasSalvajina 285 285 3 (95MW c/u) 1985 CaucaFlorida 26 26 2 (13MW c/u) 1975 Cauca

Urra 344 329 4 (86MW c/u) 2000 C órdobaCanoas 45 45 1 (50MW c/u) 1972 C undinamarcaColegio 250 150 3 (50MW c/u) 1970 C undinamarca

La Guaca 315 310 3 (108MW c/u) 1987 C undinamarcaGuavio 1.150.00 1.150.00 5 (230MW c/u) 1992 C undinamarca

Laguneta 72 72 4 (18MW c/u) 1960 C undinamarcaParaiso 270 270 3 (92MW c/u) 1987 C undinamarcaSalto 127 125 3 (14MW c/u)+ 2 (35MW c/u) 1963-1998 C undinamarca

Betania 540 540 3 (180MW c/u) 1987 HuilaR io Mayo 21 21 3 (9MW c/u) 1969 Nariño

Prado 45 44 2 (16MW c/u)+1 (15MW c/u) 1973 Tolim aPrado IV 5 5 1 (5MW c/u) 1973 Tolim a

Alto Anchicayá 365 365 3 (125MW c/u) 1973 Valle

Calima 132 120 4 (33MW c/u) 1967 ValleBajo

Anchicayá 74 74 2 (13MW c/u)+ 2 (24MW c/u) 1957 Valle T abla 1 . Instalaciones Hidroeléctr icas en Colombia.

El siguiente trabajo proyecto de grado busca conocer y mejorar el desempeño de la pico-turbina

axial existente en el Tutor Bomba – Turbina Gilkes, mediante la caracterización de un Alternador de

automóvil de marca BOSCH® en un banco de pruebas que relaciona el torque, las revoluciones por

minuto al cual gira el Alternador, la corriente, el voltaje de salida del Generador y la potencia

eléctrica capaz de entregar por sí mismo. Una vez se conoce el punto de mejor operación del

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9

Alternador, se instala nuevamente en el Tutor Gilkes y se hacen las pruebas respectivas para

encontrar el punto máximo de operación del sistema.

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10

2. DESCRIPCIÓN DEL ALTERNADOR Y TUTOR BOMBA – TURBINA GILKES

2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

El funcionamiento de una hidroeléctrica consiste en tomar la energía potencial de una corriente,

elevándola a cierta altura sobre el suelo, para transformarla posteriormente en energía cinética al

caer nuevamente. El agua que llega a alta presión en la turbina, incide en sus álabes, haciendo

girar su eje, el cual va conectado a un Generador produciendo en éste energía eléctrica.

Figura 1 . A cople de T urbina, Eje y A lternador de una pico-hidroeléctr ica.

Los Generadores eléctricos pueden ser de corriente continua (dínamos) o de corriente alterna,

existiendo en este último caso dos tipos: Generadores sincrónicos o Alternadores y Generadores

asincrónicos o de inducción. Los dinamos tienen el inconveniente de utilizar escobillas, que exigen

mantenimiento periódico, y son más pesadas y caras que los Generadores de corriente alterna (CA)

de igual potencia; aunque tienen la ventaja de no necesitar de sistemas especiales para cargar

baterías.

Turbina Eje Alternador

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11

El tipo de Generador de C.A. que se utilice depende fundamentalmente de las características del

servicio a prestar. Como regla general puede decirse que los Alternadores son mayoritariamente

usados en máquinas que alimenten instalaciones autónomas y los Generadores de inducción en

turbinas eólicas interconectados con otros sistemas de generación.

Es un hecho también que la variabilidad del recurso exige, en muchas instalaciones aisladas,

acumular energía en baterías y desde ellas alimentar la demanda. En estos casos la frecuencia no

tiene ninguna importancia pues habrá rectificadores que transformen la C.A. en corriente continua

(C.C.). Para estos casos es recomendable la utilización de Alternadores ya que responden a la

búsqueda de menores costos y mejores rendimientos y no a una característica del servicio.

2.1.1 DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR

El Alternador es un Generador de corriente eléctrica que proporciona corriente alterna. Es una

unidad electromagnética en donde parte de la electricidad generada por la unidad debe ser

utilizada internamente y desviada al inducido por medio de escobillas para iniciar los campos

magnéticos. Los Alternadores pueden ser modificados para generar electricidad a menores

velocidades de rotación rebobinando las bobinas con más vueltas y un alambre más delgado.

El Alternador funciona conforme al principio de que se genera corriente eléctrica en un alambre,

siempre que este cruza un campo magnético. El Alternador tiene como campo un electro imán,

excitado por una pequeña cantidad de corriente del acumulador (batería), la cual llega al electro

imán por los anillos colectores. Cuando el motor hace girar el electroimán, se intercepta el campo

con el cuadro externo de alambre, y la corriente circula por este, primero en un sentido y luego en

el otro.

El Alternador funciona sobre los mismos principios eléctricos que la Dinamo, pero su construcción

es diferente. La posición del inducido y de las piezas polares están invertidas con respecto a la que

ocupan en la Dinamo. En el interior del Alternador van distribuidas las bobinas de inducido y este

conjunto es denominado estator.

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12

Figura 2 . Esquema ilustrativo del estator en el inter ior de un A lternador.

La parte móvil del Alternador es la que lleva las bobinas de campo y recibe el nombre de rotor. En

comparación con la Dinamo, las posiciones relativas de estas piezas quedan invertidas y la

corriente se genera en el componente estático. En un Alternador, los bobinados rotativos de campo

se ven estimulados o excitados por una corriente procedente de la batería. El proceso de excitación

significa que el campo magnético inducido en el rotor es más poderoso que el inducido en las

piezas estáticas correspondientes a la Dinamo y el proceso de producción de energía es más eficaz

a velocidades bajas del motor. La corriente de excitación se introduce en el rotor del Alternador por

medio de un sistema de anillos y escobillas. La rectificación de la corriente generada se logra por

medio de 4 o 6 diodos de silicio, en un paquete rectificador, que va conectado a un puente

rectificador.

Figura 3 . Despiece de un A lternador.

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13

2.1.2 APLICACIÓN DEL ALTERNADOR PARA LA EXTRACCIÓN DE ENERGIA ELECTRICA

A PARTIR DE ENERGIAS RENOVABLES

El actual proyecto de grado consiste en conocer el desempeño de una pico-hidroeléctrica para el

suministro de energía en áreas rurales. El objetivo principal es conocer el funcionamiento y

caracterizar el Alternador en cuanto al suministro de potencia eléctrica y eficiencia. Trabajos

anteriores han demostrado que la eficiencia global de la pico-hidroeléctrica, con un perfil alar

definido, alcanza el 60%. Esta eficiencia alcanzada es la multiplicación entre la eficiencia hidráulica

(proporcionada por el trabajo de la turbina) y la eficiencia mecánica (proporcionada por el

movimiento rotacional del eje que luego es transformado en energía eléctrica por el Generador).

Para poder mejorar el funcionamiento de la hidroeléctrica es necesario independizar la eficiencia

global y poder así, mejorar el perfil alar o el Generador. El objetivo de este proyecto de grado es

caracterizar el Alternador en cuanto a su eficiencia mecánica.

Para extraer la energía del eje motriz se utiliza un Alternador comercial. Se tiene un eje que gira

relativamente a bajas velocidades en términos de un eje automotriz, pero con bajo torque. Se

descartó la utilización de un Generador de imanes permanentes, pues el régimen de

funcionamiento del mismo se encuentra a velocidades del eje motriz alrededor de 700rpm. Con un

Alternador de cerca de 30A y 12V se puede extraer energía en forma eficiente para un eje que gira

cerca de las 1700rpm.

El Alternador escogido es un BOSCH® con regulador incorporado, 55A y 12V. Es trifásico con 6

diodos, 3 de los cuales excitan el sistema al estar conectado al embobinado del estator. Por ser del

tipo con circuito eléctrico inductor, este Alternador requiere una batería para poder excitar la

bobina de magnetización. Este procedimiento permite en el mismo instante de la puesta en marcha

del eje, producir la corriente de carga que requiere este Generador a muy pocas RPM.

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14

2.2 TUTOR BOMBA – TURBINA GILKES

En el laboratorio de Mecánica, en el área de hidráulica, de la Universidad de los Andes se

encuentra localizado el Tutor Gilkes, cuyo objetivo es simular la generación de electricidad a través

de una central hidroeléctrica. Ésta máquina consiste en un circuito cerrado, una bomba centrífuga

impulsada por un motor eléctrico, un Alternador o Generador que va conectado a la turbina

mediante un eje de transmisión y un panel de manómetros de mercurio, con los cuales se pueden

realizar las mediciones de caudal, cabeza y presión a la salida de la turbina. Por proporcionar

menos de 1.5 kW de potencia hidráulica, este dispositivo puede tomar el nombre de pico-

hidroeléctrica.

Figura 4 . T utor Bomba- T urbina Gilkes.

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15

Figura 5 . Parte del T utor Bomba-T urbina Gilkes.

Los principales componentes del tutor son los siguientes:

1. Circuito cerrado en tubería PVC de cinco pulgadas de diámetro.

2. Tubería de interconexión.

3. Válvula mariposa para controlar el flujo por la tubería de interconexión.

4. Válvula mariposa para controlar el flujo a través de la bomba turbina.

5. Tubo de alimentación de agua del sistema.

6. Tubo Vénturi en acrílico.

7. Válvulas para sacar el aire del circuito cerrado.

8. Conexión para las mediciones de presión.

9. Bomba centrífuga de abastecimiento.

10. Motor eléctrico.

11. Tablero para medir las diferencias de presión provisto de tres manómetros de mercurio de la

siguiente manera: Diferencia de presión en el Vénturi; diferencia de presión entre la entrada y la

salida de la turbina; presión a la entrada de la turbina.

12. Turbina de flujo axial.

13. Caja de control para operar el sistema como motor o Generador.

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16

14. Freno Prony (no instalado actualmente)

15. Torquímetro (no instalado actualmente)

16. Generador (Alternador BOSCH®)

17. Drenaje del sistema.

La válvula B1 es la encargada de controlar el flujo que pasa por el sistema cerrado; cuando la

válvula se encuentra cerrada, el caudal que pasa es mayor que cuando esta abierta. La válvula B2

debe estar siempre abierta.

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17

3. CORROBORACIÓN DATOS TUTOR BOMBA-TURBINA GILKES

Las primeras pruebas realizadas consisten en la validación del desempeño de la turbina actual

existente realizada por Martínez en [1], en cuanto a cabeza, caudal, eficiencia y potencia hidráulica

de trabajo. Estas pruebas consisten en variar el caudal que es entregado a la turbina mediante la

válvula B1. Como se mencionó anteriormente, esta variación es la representación de la cantidad de

energía disponible en la fuente de agua.

La medición de caudal se realiza mediante el flujo Vénturi del Tutor mediante el cual al reducir el

área por la cual atraviesa el fluido, se obtiene un aumento de aceleración y una caída de presión

del mismo. Conociendo la geometría del flujo Vénturi y su velocidad, es posible calcular el caudal.

Mediante la ecuación de Bernoulli y las suposiciones de que se está trabajando con un fluido

estable, incompresible no viscoso y horizontal ( 21 zz = ) se tiene lo siguiente:

222

211 2

121

vpvp ρρ +=+

Ecuación 1 .

Mediante la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli se puede expresar el caudal como:

2211 VAVAQ == 212

212 )/(1[

)(2AA

ppAQ

−−

=ρ

Ecuación 2 . Ecuación 3 .

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18

Reemplazando los valores de la geometría del Vénturi y las propiedades del fluido, la ecuación de

caudal se puede expresar en términos del manómetro del tutor mediante la siguiente ecuación:

1310*02.5 HQ −=

Ecuación 4 .

La cabeza de la turbina está dada por la caída de presión entre la entrada y salida de la misma:

2136.0 HH =

Ecuación 5 . La potencia hidráulica se obtiene mediante la siguiente ecuación:

HQgW ***ρ=

Ecuación 6 . La eficiencia se obtiene mediante la relación entre la potencia eléctrica y la potencia hidráulica:

HQgIV

WEP léctrica

global ****

ρη ==

Ecuación 7 . A continuación se presenta un esquema del funcionamiento y acople entre la turbina, el eje, el

alternador y la carga:

Figura 6 . A cople en el T utor Gilkes turbina-eje-A lternador-Carga

Manómetros Mercurio: Caudal, Cabeza, Presión salida Turbina

Flu

jo

+

-

Turbina Alternador Carga

DuctoFlu

joF

lujo

+

-

+

-


Ducto


Ducto

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19

La eficiencia global del sistema se obtiene mediante la potencia eléctrica del Alternador y la

potencia hidráulica de la turbina. La potencia eléctrica se obtiene mediante las mediciones de

corriente y voltaje a la salida del Alternador de acuerdo a la norma SAE J56 mediante el siguiente

esquema:

Figura 7 . Conexión A lternador y Carga Instalada. Para medir el voltaje se utiliza un multímetro entre las terminales + y - del Alternador; la corriente

se mide en el cable que sale del borne positivo del Generador y va a al borne positivo de la batería

mediante una pinza amperimétrica DC.

La potencia hidráulica de la turbina se obtiene mediante las mediciones de caudal y cabeza dadas

por los manómetros de mercurio instalados en el Tutor Gilkes. Es importante resaltar que los datos

obtenidos están en unidades de presión; mediante las ecuaciones 4 y 5 se obtiene las unidades

adecuadas para el cálculo de la potencia hidráulica.

La tabla de resultados que se muestra a continuación consiste en una serie de pruebas variando la

apertura de la válvula 1 que representa la velocidad angular. Para cada rpm se toman datos de

caudal, cabeza, voltaje y corriente, para obtener finalmente la eficiencia global del sistema.

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3.1 VALIDACIÓN DE MARTINEZ EN [1]

La siguiente tabla muestra los datos tomados para la validación de Martínez en [1] con la turbina

actual existente:

T abla 2 . Resultados Corroboración datos T urbina Existente.

Se grafican los siguientes datos para saber cual es el funcionamiento de la turbina y la eficiencia

global del sistema:

1. Potencia Hidráulica y potencia Eléctrica vs Caudal

2. Eficiencia vs Caudal

RPM H (m) Q (L/s)Potencia

Hidráulica (W) Voltaje (V) Corriente (A)Potencia

Eléctrica (W) Eficiencia (%)1139 0.11 9.52 10.17 0.15 0.16 0.02 0.241442 0.34 11.00 36.68 2.58 3.50 9.03 24.621512 0.65 14.20 90.93 5.90 9.60 56.64 62.291832 1.36 17.24 230.07 9.20 19.50 179.40 77.982032 2.20 19.95 431.28 12.24 24.60 301.10 69.821149 0.03 8.40 2.24 0.13 0.13 0.02 0.741460 0.37 10.04 36.17 0.18 2.56 0.46 1.271525 0.73 13.84 99.70 4.06 5.36 21.76 21.831376 1.31 16.95 217.09 7.52 17.70 133.10 61.311542 2.31 20.82 472.20 11.09 25.90 287.23 60.831371 0.05 8.09 4.32 0.18 0.15 0.03 0.601771 0.08 10.04 8.04 0.50 1.92 0.96 11.941971 0.71 13.28 92.14 4.13 7.80 32.21 34.96200 1.28 16.65 208.80 7.00 14.50 101.50 48.61

2331 2.28 20.08 450.07 10.77 24.60 264.94 58.871200 0.07 8.69 5.80 0.12 0.60 0.07 1.241651 0.14 10.77 14.36 0.26 1.02 0.27 1.851851 0.73 14.38 103.56 4.30 13.90 59.77 57.711921 1.39 17.24 234.67 7.40 19.70 145.78 62.122031 2.20 21.42 462.87 10.51 25.30 265.90 57.45

IM-2005-II-13

21

Grafica de Potencia Hidráilica y Electrica vs Caudal

(carga 465W)

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

450.00

500.00

0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

Q(L/s)

Pote

ncia

Hid

raul

ica(

W)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Pote

ncia

Ele

ctric

a(W

)

Datos Experimentales 1


Potenc ia Hidráulica




Potenc ia Eléctrica


Figura 8 . Valor Promedio de Potencia Hidráulica-Potencia Eléctr ica-Caudal.

La siguiente gráfica muestra el comportamiento de la potencia hidráulica y eléctrica para cada

caudal. A medida que el caudal aumenta, la potencia hidráulica y eléctrica aumenta. Para el punto

de mejor operación del sistema el caudal es de 20.56L/s, una potencia hidráulica de 454.10W y

una potencia eléctrica de 279.79W.

Grafica de Eficencia Global vs Caudal (carga 465W)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

Caudal(L/s)

Efic

ienc

ia (%

) Datos Experimentales 1




Efic ienc ia Global

Figura 9 . Valor Promedio de la Eficiencia de la Pico-Hidroeléctr ica-Caudal.

IM-2005-II-13

22

Se muestra el comportamiento de la eficiencia del sistema a medida que se aumenta el caudal. La

eficiencia máxima se obtiene cuando el caudal es de 20.56L/s. La eficiencia global del sistema esta

alrededor del 62%. Esta eficiencia incluye la eficiencia de la turbina, la eficiencia del Generador y la

resistividad de los cables y conexiones.

Para poder separar la eficiencia hidráulica (eficiencia de la turbina axial existente) de la eficiencia

global del sistema, es necesario caracterizar el Alternador BOSCH® mediante el siguiente banco de

pruebas.

Al realizar la comparación entre los datos obtenidos por Germán Martínez Izquierdo en [1] y los

datos tomados recientemente se encontró que el punto de operación de la turbina difiere en la

cabeza y en la potencia hidráulica. Las pruebas realizadas anteriormente muestran el mejor punto

de operación de la turbina alrededor de un caudal de 20.858L/s, una cabeza de 2.6m, una potencia

hidráulica de 530.5W y una eficiencia global del 60%. En comparación, las pruebas realizadas

actualmente muestran el mejor punto de operación de la turbina alrededor de un caudal de

20.56L/s, una cabeza de 2.16m, una potencia hidráulica de 454.10W y una eficiencia global del

62%. Estas diferencias son debidas posiblemente a un no eficiente funcionamiento del Generador,

por lo que se decide realizar un banco de pruebas para conocer el punto de operación del mismo.

IM-2005-II-13

23

4. CARACTERIZACIÓN DEL ALTERNADOR BOSCH® 55A-12V

Para poder obtener las curvas de eficiencia del Generador a diferentes revoluciones por minuto,

simulando la apertura de la válvula B1, fue necesario construir el siguiente banco de pruebas:

Figura 10. Banco de Pruebas para el Alternador BOSCH®.

Cargaga

Batería Alternador Torquímetr

o

Motorr

Pinza Amperimétrica

IM-2005-II-13

24

Figura 11. Banco de Pruebas.

El sistema está constituido por un Alternador el cual se encuentra conectado en serie a un

Torquímetro TQ501, cuya función es medir el momento par generado por el motor. El motor

empleado es trifásico y tiene una frecuencia de 60HTZ a 1700 rpm. Se encuentra también

conectado un variador de frecuencia el cual permite cambiar las revoluciones por minuto del motor,

simulando así la cantidad de caudal disponible en la fuente de agua. Para obtener la potencia y

eficiencia del Alternador es necesario conectarle una carga para conseguir la eficiencia eléctrica

que proporciona el Generador. Esta carga está representada con la conexión de 8 bombillos de

12V-55W en serie. El almacenamiento de energía generado por el Alternador se hace en una

batería de 12V-180Ah. En una de las entradas al Generador se encuentra instalado una lámpara de

12V “ojo de buey” (chivato de cargar de los carros), la cual permite el paso de una corriente débil

al rotor para crear el campo magnético. De igual manera, se adecuó un taco de 60A el cual permite

separar la corriente que da la batería con la corriente que proporciona el Generador.

Las mediciones de corriente y voltaje a la salida del Alternador son tomadas, como se mencionó

anteriormente, de acuerdo a la norma SAE J56. Para medir el voltaje se utiliza un multímetro entre

las terminales + y - del Alternador; la corriente se mide en el cable que sale del + del Generador y

va a al borne positivo mediante una pinza amperimétrica DC. Para la medición de torque se

requiere una fuente de voltaje que suministre 10V la cual va conectado al cable del torquímetro,

como se explico anteriormente.

Variador Frecuencia

Multímetro

IM-2005-II-13

25

Las pruebas realizadas en este banco de pruebas consisten en variar las revoluciones por minuto y

la carga instalada, mediante el variador de frecuencia y los bombillos respectivamente. La carga

instalada, como se mencionó anteriormente, esta constituida por 8 bombillos de 55W cada uno.

Las pruebas consienten en que para cada velocidad de giro (1300, 1600, 1800 y 2000 rpm), se

varía la carga, conectando y desconectando los bombillos al sistema, y se toman las medidas de

corriente, voltaje y torque para cada prueba. El objetivo de este trabajo es encontrar el punto

donde la eficiencia del Alternador es máxima.

La eficiencia del Alternador esta dado por la siguiente ecuación:

ωτη

** IV

ejeMPSalidaEP

ecánica

léctrica ==

Ecuación 8 .

4.1 RESULTADOS OBTENIDOS

Es importante resaltar que los datos que se presentan a continuación son el resultado del cambio

del cableado del sistema debido a que el cable utilizado en oportunidades anteriores, no era del

calibre adecuado; esto permitió mejorar la calidad y obtener datos más precisos.

Figura 12 . Cambio de Conexiones y Cable calibre 12 .

IM-2005-II-13

26

En la siguiente tabla se muestra algunos de los datos tomados a diferentes revoluciones por

minutos y carga instalada:

Carga(W) Coriente(A) Voltaje(V) Torque(N*m) RPM rad/s Eficiencia(%)Potencia de entrada(W)

Potencia de salida(W)

46.37 3.25 14.27 0.62 2000 209.44 35.92 129.09 46.3791.26 6.49 14.07 0.90 2000 209.44 48.34 188.82 91.26

143.10 10.01 14.30 1.23 2000 209.44 55.35 258.58 143.10188.71 13.33 14.16 1.59 2000 209.44 56.79 332.34 188.71233.27 16.73 13.95 1.92 2000 209.44 58.08 401.69 233.27268.91 19.58 13.74 2.27 2000 209.44 56.61 475.06 268.91308.88 22.83 13.53 2.62 2000 209.44 56.24 549.22 308.88337.65 25.63 13.18 2.86 2000 209.44 56.39 598.93 337.65

46.65 3.38 13.82 0.66 1800 188.49 37.48 124.48 46.6590.31 6.53 13.84 1.00 1800 188.49 48.05 187.98 90.31

140.70 9.98 14.11 1.39 1800 188.49 53.80 261.58 140.70187.16 13.30 14.07 1.79 1800 188.49 55.55 336.99 187.16226.60 16.45 13.78 2.15 1800 188.49 55.98 404.82 226.60264.57 19.50 13.57 2.56 1800 188.49 54.89 482.03 264.57257.14 21.03 12.23 2.47 1800 188.49 55.27 465.44 257.14

42.64 3.18 13.40 0.70 1600 167.55 36.43 117.06 42.6486.96 6.40 13.60 1.06 1600 167.55 48.94 177.68 86.96

134.01 9.71 13.80 1.51 1600 167.55 52.96 253.04 134.01181.46 13.05 13.91 1.99 1600 167.55 54.40 333.54 181.46221.89 16.25 13.66 2.43 1600 167.55 54.44 407.63 221.89

29.00 2.77 10.53 0.79 1100 115.19 31.96 91.06 29.1040.30 3.12 12.92 0.86 1300 136.13 34.30 117.52 40.3085.77 6.57 13.07 1.32 1300 136.13 47.57 180.32 85.7793.99 8.68 10.82 1.34 1300 136.13 51.68 182.15 93.99

T abla 3 . Resultados de la Eficiencia del A lternador.

Para encontrar el comportamiento de la eficiencia del Alternador se grafican los siguientes

parámetros:

1. Corriente Promedio vs Carga

2. Voltaje Promedio vs Carga

3. Torque vs Corriente

4. Potencia de Salida vs Potencia de Entrada

5. Eficiencia vs Carga

6. Eficiencia vs RPM

Para mirar la eficiencia del Generador es necesario calcular primero la potencia eléctrica del mismo

y la potencia mecánica que se la proporciona el torque del motor y las revoluciones por minuto.

IM-2005-II-13

27

Figura 13 . Corr iente-Carga Instalada-Velocidad A ngular .

En esta gráfica se muestra que a medida que la velocidad angular aumenta, la corriente del

Alternador aumenta. La corriente máxima que proporciona el Generador es de 25.5A. La grafica de

1800 RPM muestran una disminución de la potencia en el último valor debido a la caída de voltaje

en el mismo. De igual manera se puede observar que la potencia eléctrica generada es menor a

medida que la velocidad disminuye. Esto se puede corroborar con la siguiente gráfica.

CORRIENTE PROMEDIO DEL ALTERNADOR A DIFERENTES REVOLUCIONES POR MINUTO(final)

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0 50 100 150 200 250 300 350 400CARGA(W)

CO

RR

IEN

TE(A

)

2000 RPM corriente 1800 RPM corriente 1600 RPM corriente 1300 RPM corriente 1100 RPM corriente

IM-2005-II-13

28

VOLTAJE PROMEDIO DEL ALTERNADOR A DIFERENTES REVOLUCIONES POR MINUTO

(final)

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

CARGA(W)

VOLT

AJE

(V)

2000 RPM voltaje 1800 RPM voltaje 1600 RPM voltaje 1300 RPM voltaje 1100 RPM voltaje

Figura 14 . Voltaje-Carga Instalada-Velocidad A ngular .

El comportamiento de la curva de voltaje para 2000, 1800 y 1600 RPMS es constante. De igual

manera se obtiene valores de voltaje mayores a las pruebas iniciales. Al disminuir la pérdida de

energía por resistencia en los materiales, la capacidad de carga del Generador es más constante y

la potencia suministrada por el mismo aumenta.

Figura 15 . T orque-Corr iente-Velocidad A ngular .

TORQUE CONTRA CORRIENTE PROMEDIO A DIFERENTES REVOLUCIONES POR MINUTO (final)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

CORRIENTE(A)

TOR

QU

E(N

/m)

2000 RPM 1800 RPM 1600 RPM 1300 RPM 1100 RPM

IM-2005-II-13

29

Como se mencionó en la gráfica anterior, a mayor corriente mayor momento par. A 2000 RPM la

corriente es de 25.5A, con un torque de 2.8N/m. A mayor momento par, mayor potencia mecánica

y menor eficiencia del Alternador.

En la gráfica que se muestra a continuación, al compararla con las pruebas iniciales, se ve un

aumento en la potencia de salida (potencia eléctrica) debido al aumento de corriente por la

disminución de resistividad en el cableado y en las uniones. La potencia que se obtiene a la salida

es casi la mitad de la potencia que se entrega, así por ejemplo a 2000 RPM se entrega una

potencia mecánica máxima de 567.66W y se obtiene una potencia eléctrica de 323.13W. De igual

manera se puede observar que a medida que aumenta la velocidad angular, la potencia de entrada

y de salida aumenta.

Figura 16 . Potencia de Entrada-Potencia de Salida-Carga Instalada-Velocidad A ngular .

POTENCIA DE ENTRADA Y POTENCIA DE SALIDA PROMEDIO A DIFERENTES REVOLUCIONES POR MINUTO

(final)

0

100

200

300

400

500

600

700

46 91 143 189 233 269 309 338

CARGA(W)

POTE

NCIA

EN

TRAD

A(W

)

0

100

200

300

400

500

600

700

POTE

NCIA

SAL

IDA

(W)

2000 RPM entrada 1800 RPM entrada 1600 RPM entrada 1300 RPM entrada 1100 RPM entrada1800 RPM salida 1600 RPM salida 1300 RPM salida 1100 RPM salida 2000 RPM salida

IM-2005-II-13

30

EFICIENC IA PROM EDIO DEL ALTERNADOR BOSCH A DIFERENTES

REVOLUCIONES POR M INUTO(f inal)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

CARGA(W)

EFIC

IENC

IA(%

2000 RPM 1800 RPM 1600 RPM 1300 RPM 1100 RPM

Figura 17 . Eficiencia A lternador-Carga Instalada-Velocidad A ngular .

Esta gráfica muestra el comportamiento del Alternador a medida que aumenta la carga. La

eficiencia máxima se obtiene a 2000 RPM con una potencia de 233W; sin embargo la eficiencia

promedio que se mantiene a lo largo de las gráficas es de 56%, como en las pruebas iniciales. A

medida que las revoluciones por minuto desminuyen, la capacidad de carga del Generador también

se minimiza. A 1100 RPM, el Generador es capaz de suministrar energía eléctrica a un bombillo. A

1300 RPM se suministra energía a tres bombillos; A 1600 se suministra energía a cinco bombillos,

mientras a 1800 y 2000 RPM se suministra para siete y ocho bombillos respectivamente. Los

bombillos representan la potencia que es capaz de entregar el Generador a cierta velocidad

angular.

IM-2005-II-13

31

EFICIENCIA DEL ALTERNA DOR BOSCH vs RPM A DIFERENTES C ARGA S

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100

RPM

EFIC

IEN

CIA

(%)

40W

90W

135W180W

235W

264W300W

335W

Figura 18 . Eficiencia A lternador-Carga Instalada-Velocidad A ngular .

En esta gráfica se puede observar el comportamiento de la eficiencia a diferentes cargas eléctricas

a medida que aumentan las revoluciones por minuto. La eficiencia máxima es del 56% a 2000

revoluciones por minuto. La carga máxima es de 335W con una eficiencia del 56.39%.

Con los datos tomados anteriormente se realizó la grafica de corriente contra revoluciones por

minuto, con una eficiencia del 55%, la cual permite conocer la máxima potencial eléctrica dada por

el Alternador BOSCH® en el rango de operación del Tutor Gilkes, 2000 revoluciones por minuto.

IM-2005-II-13

32

CORRIENTE Y REVOLUCIONES POR MINUTO A UNA EFICIENCIA DEL 55%

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

RPM

CO

RRIE

NTE(

A

Figura 19 . Corr iente-Velocidad A ngular .

Para una velocidad angular de 2000 revoluciones por minuto la corriente directa máxima entregada

por el Alternador es de 25A. Teóricamente, para un Alternador promedio, a 2000 revoluciones por

minuto, se obtiene una corriente aproximadamente de 30A. Debido a esta disminución de

amperaje, la eficiencia del Generador se encuentra en un rango del 56% y no del 70% como

debería ser teóricamente.

Es importante aclarar que la información anteriormente presentada no se encuentra disponible. Por

ello, fue necesario realizar el banco de pruebas anteriormente descrito para conocer el

comportamiento del Alternador BOSCH® 55A – 12V.

IM-2005-II-13

33

4.2 ANALISIS DE ERROR

Debido a la cantidad de datos que se tomaron para cada carga instalada a diferentes revoluciones

por minuto y para dar mayor exactitud al valor nominal de la eficiencia, las siguiente gráficas

muestra el cálculo del error total, en porcentaje, debido al error de precisión y al error de vías que

es proporcionado por los instrumentos de medición que se utilizaron. El error de precisión se hallo

mediante la distribución de probabilidad T-student:

22 )()(: víasprecisiónErrorTotal εε +

Ecuación 9 .

La eficiencia máxima en el punto de mejor operación es de 56% con un error total promedio del

2%. Es decir, la eficiencia del Alternador opera en un rango entre 59.5% y 52.4%. Las graficas que

se presentan a continuación muestran el error total promedio para cada carga instalada a

diferentes velocidades angulares.

EFICIENCIA DEL ALTERNADOR A 1300 RPM CON CARGA VARIABLE

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CARGA(W)

EFIC

IEN

CIA

(%)

Figura 20 . Eficiencia A lternador a 1300 RPM.

IM-2005-II-13

34

A una velocidad angular de 1300 rpm se logró alcanzar cargas de 40, 86 y 98W con un error total

promedio de la eficiencia del 3%. La eficiencia máxima que se alcanzó se encuentre en un rango

entre 57.5% y 45.8%. Entre mayor es el error total, mayor es el grado de incertidumbre.

EFICIENCIA DEL ALTER NA DOR A 1600 R PM CON CAR GA VAR IA BLE

0.0 0

5.0 0

10.0 0

15.0 0

20.0 0

25.0 0

30.0 0

35.0 0

40.0 0

45.0 0

50.0 0

55.0 0

60.0 0

0 5 0 10 0 1 50 20 0 25 0

CARGA (W )

EFI

CIE

NC

IA(%

)


A 1600 revoluciones por minuto se logró alcanzar cargas de 43, 87, 134, 182 y 221W con un error

total promedio de la eficiencia del 1%. La eficiencia máxima que se alcanzó se encuentre en un

rango entre 56.2% y 52.6%.

IM-2005-II-13

35

EFICIENCIA DEL ALTERNADOR A 1800 RPM CON CARGA VARIABLE

0 .00

5 .00

10 .00

15 .00

20 .00

25 .00

30 .00

35 .00

40 .00

45 .00

50 .00

55 .00

60 .00

0 50 100 150 200 250 300

C ARGA (W)

EFI

CIE

NC

IA(%

)


A una velocidad angular de 1800 rpm se logró alcanzar cargas de 45, 90, 142, 185, 225, 254 y

266W con un error total promedio de la eficiencia del 2%. La eficiencia máxima que se alcanzó se

encuentre en un rango entre 58.8% y 51.6%.

IM-2005-II-13

36

EFICIENCIA DEL ALT ERNADOR A 2000 RPM CON CARGA VARIABLE

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

55.00

60.00

65.00

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CARGA(W)

EFIC

IEN

CIA

(%)


A una velocidad angular de 2000 rpm se logró alcanzar cargas de 46, 92, 145, 187, 234, 268, 308

y 340W con un error total promedio de la eficiencia del 1.3%. La eficiencia máxima que se alcanzó

se encuentre en un rango entre 58.6% y 54%.

Al realizar los cálculos de los errores aleatorios y de sesgo, se encontró que el porcentaje más alto

de error es del 2.58%. Es decir, los datos de eficiencia anteriormente presentados son altamente

confiables.

IM-2005-II-13

37

5. PUNTO DE MEJOR OPERACIÓN DEL TUTOR BOMBA – TURBINA GILKES

Una vez se ha encontrado la eficiencia máxima dada por el Alternador BOSCH®, se instala éste

nuevamente al Tutor Gilkes y se encuentra el punto de mejor operación del sistema.

Figura 24. Tutor Bomba-Turbina Gilkes – Alternador BOSCH®.

Las pruebas realizadas consisten en simular las mismas condiciones de velocidad angular utilizadas

en el banco de pruebas anteriormente explicado. Se emplearon velocidades de 1617, 1814 y 2063

revoluciones por minuto, con ayuda del estroboscopio. De igual manera, se encuentra la eficiencia

del sistema a diferentes cargas instaladas para hallar el punto máximo al cual opera el sistema

global y el rendimiento hidráulico de la turbina de flujo axial existente.

Alternador

Carga

Batería

IM-2005-II-13

38

5.1 RESULTADOS OBTENIDOS

En la siguiente tabla se muestra algunos los datos tomados a diferentes velocidad angulares y a

diferentes cargas instaladas:

RPMCarga

(w)Voltaje

(V)Corriente

(A)Caudal

(L/s)Cabeza

(m)

Potencia Hidráulica

(W)Eficiencia

(%)1617 37.9 14.0 2.7 16.2 1.0 157.7 24.01617 49.3 10.5 4.7 16.5 1.3 217.9 22.61617 72.0 9.0 8.0 15.1 1.2 180.8 39.81617 88.1 7.9 11.1 15.2 1.2 178.8 49.31617 96.9 7.0 13.8 15.4 1.2 180.7 53.61617 97.2 6.3 15.4 15.8 1.1 174.9 55.61814 24.9 13.9 1.8 17.5 1.1 180.4 13.81814 62.9 12.8 4.9 15.7 1.3 207.1 30.41814 86.6 11.1 7.8 15.7 1.4 218.7 39.61814 116.6 9.7 12.0 15.8 1.4 214.6 54.31814 126.7 8.7 14.6 16.0 1.4 212.4 59.61814 128.1 7.7 16.7 16.2 1.3 210.9 60.71814 115.0 6.6 17.4 16.5 1.2 200.2 57.52063 164.1 14.1 11.7 20.7 1.4 278.3 59.02063 181.1 13.0 14.0 20.1 1.5 291.1 62.22063 257.7 13.5 19.0 19.2 1.7 319.0 70.82063 247.8 11.9 20.9 17.6 2.0 341.2 62.62063 258.0 11.0 23.6 18.1 1.9 346.2 64.52063 271.1 10.1 26.9 18.9 1.9 345.8 58.42063 240.1 8.2 29.4 19.2 1.8 333.8 51.9

T abla 4 . Resultados Eficiencia Pico-Hidroeléctr ica.

Es importante resaltar que los valores de eficiencia a 2063 rpm son mayores del 55% debido a que

la velocidad del Alternador es mayor. En las pruebas de caracterización solo se manejo como

máxima velocidad angular 2000 rpm debido a la restricción del motor; sin embargo, el Tutor

Bomba-Turbina Gilkes opera a revoluciones un poco mayor de las 2000 rpm. Es predecible que a

mayor velocidad de giro, mayor es la eficiencia entregada por el Generador.

En las siguientes gráficas se muestra el comportamiento de la eficiencia, caudal y cabeza para cada

carga instalada a diferentes revoluciones por minuto.

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39

EFICIENCIA-CAUDAL-CABEZA A 1617 REVOLUCIONES POR MINUTO

0

10

20

30

40

50

60

38 49 72 88 97 97

CARGA(W)

EFIC

IEN

CIA

(%)-

CAU

DAL(

L/s

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

CAB

EZA

(m)

EFICIENCIA CAUDAL CABEZA

Figura 25 . Eficiencia-Caudal-Cabeza-1617 RPM. En esta grafica se puede observar la eficiencia máxima que alcanza el sistema es del 55.5% a 1617

revoluciones por minuto. El caudal máximo alcanzo es de 15.79L/s y la cabeza máxima es de 1.3m.

Es importante resaltar que la eficiencia máxima entregada por el sistema global es igual a la

eficiencia del Alternador BOSCH® a ésta misma velocidad angular. Así mismo se puede observar

que, a medida que la carga instalada se aumenta, la cabeza alcanza un punto máximo y luego

decrece. El caudal muestra un comportamiento constante a mayor carga instalada.

IM-2005-II-13

40

EFICIENCIA-CAUDAL-CABEZA A 1814 REVOLUCIONES POR M INUTO

0

10

20

30

40

50

60

70

25 63 87 117 127 128 115

CARGA(W)

EFIC

IENC

IA(%

)-CA

UDA

L(L/

s)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

CA

BEZA

(m)


Figura 26 . Eficiencia-Caudal-Cabeza-1814 RPM. En esta grafica se puede observar la eficiencia máxima que alcanza el sistema es del 60% a 1814

revoluciones por minuto. El caudal máximo alcanzo es de 16.54L/s y la cabeza máxima es de

1.42m. De igual manera se puede observar que, a medida que la carga instalada se aumenta, la

cabeza alcanza un punto máximo y luego decrece. El caudal, al igual que en la gráfica anterior,

muestra un comportamiento constante a mayor carga instalada.

La gráfica que se muestra a continuación presenta dos picos en el comportamiento de la eficiencia.

Sin embargo, la eficiencia máxima alcanzada por el sistema es del 70%. Sin embargo, es posible

que ésta eficiencia no se la más exacta debido a la inestabilidad al tomar los datos del caudal. Por

esto es mejor tomar el segundo pico que muestra un comportamiento más exacto. El

comportamiento del caudal es estble, mientras el comportamiento sube y decrece al aumentar

demasiado la carga instalada.

Es importante mencionar que la eficiencia global del sistema esta en el mismo rango de operación

de la eficiencia del Alternador BOSCH®. Es decir, el rendimiento hidráulico de la turbina, por la

relación mencionada anteriormente entre eficiencia global, eficiencia hidráulica y eficiencia del

Alternador, es realmente alto.

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41

EFICIENCIA-CAUDAL-CABEZA A 2083 REVOLUCIONES POR MINUTO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

164 181 258 248 258 271 240

CARGA(W)

EFIC

IEN

CIA

(%)

CA

UDA

L(L/

s)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

CAB

EZA

(m)


Figura 27 . Eficiencia-Caudal-Cabeza-1814 RPM.

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42

6. CONCLUSIONES Y RECOMEDACIONES

Con este proyecto de grado se buscó conocer el comportamiento global del Tutor Bomba-Turbina

Gilkes, mediante la caracterización del Alternador BOSCH®, actualmente instalado en el sistema,

ya que, la eficiencia de esta pico-hidroeléctrica esta compuesta tanto de la eficiencia hidráulica de

la turbina como de la eficiencia eléctrica del Generador.

Para corroborar el punto de mejor operación del Tutor Gilkes, con la turbina existente

anteriormente desarrollada en [1], se realizaron pruebas de caudal, cabeza, potencia hidráulica y

potencia eléctrica para encontrar el rango de operación de la pico-hidroeléctrica. Los resultados

obtenidos mostraron una varianza tanto en la cabeza como en la potencia hidráulica. Sin embargo,

la eficiencia global del sistema permaneció constante (60%).

Dado que la eficiencia global del Tutor Gilkes es una combinación tanto de la eficiencia de la

turbina (eficiencia hidráulica), como del Alternador (eficiencia eléctrica), fue necesario realizar la

construcción del banco de pruebas, anteriormente descrito, para encontrar el rango de operación

del Generador, y así mismo, la máxima eficiencia generada a las condiciones de operación de la

pico-hidroeléctrica. Es importante resaltar que las curvas características del Alternador BOSCH®,

no se encuentran disponibles en la literatura comercial y por esto fue necesaria la realización de

este proyecto de grado.

Mediante el banco de pruebas se busca conocer el comportamiento del Alternador a diferentes

revoluciones por minuto y carga instalada. La carga instalada hace referencia a la conexión de 8

bombillos de 55W cada uno en paralelo. Con ayuda del variador de frecuencia, se simula la

IM-2005-II-13

43

cantidad de caudal generada por una fuente de agua y mediante el torquímetro TQ501 se

encuentra el par generado por el motor. El voltaje y la corriente son medidas bajo la norma SAE

J56. La eficiencia del Generador es obtenida mediante la relación de potencia eléctrica y potencia

mecánica.

El punto de mejor operación de la pico-turbina es simulado en el banco de pruebas a una velocidad

angular de 2000 RPM, en donde la máxima eficiencia alcanzada por el Alternador es del 56%. Es

importante aclarar que el Generador puede operar a mayores velocidades angulares, pero debido

al motor empelado en el banco de pruebas, la máxima velocidad alcanzada es de 2000 rpm.

Debido a la deficiencia en las conexiones anteriores, se decidió cambiar todo el cableado,

mejorando las uniones soldadas, para evitar perdidas de energía en las conexiones. Se realizaron

nuevamente las pruebas a velocidades angulares de 1100, 1300,1600, 1800 y 2000 RPM; aunque

la eficiencia no cambio mucho, los resultados obtenidos fueron más consistentes.

Para comprobar el resultado, se instala nuevamente el Alternador al sistema, manejando las

mismas revoluciones por minuto utilizadas en el banco de pruebas. Para cada velocidad de giro se

incrementa la carga instalada hasta alcanzar la máxima eficiencia. Al comparar los resultados

obtenidos en las últimas pruebas con el banco de pruebas del Alternador, se puede observar que

tanto la eficiencia global del sistema como la del Generador operan en el mismo rango. Es decir, el

rendimiento hidráulico de la turbina es máximo. De igual manera es importante aclarar, que se

obtuvieron eficiencias superiores a el 56% debido a que la velocidad de giro del sistema supera las

2000 rpm.

El diseño de la turbina de flujo axial realizado por [1] muestra una eficiencia hidráulica alta para el

rendimiento del Alternador BOSCH® instalado. Para la continua optimización de la pico-

hidroeléctrica se recomienda probar con otros Generadores de carro capaces de dar mayor

eficiencia eléctrica a menores revoluciones por minuto, hasta alcanzar un 70%. Si se logra alcanzar

una mayor eficiencia, es posible que se deba mejorar el diseño de la turbina existente.

IM-2005-II-13

44

Las actividades que se deben seguir desarrollando para la optimización del sistema incluyen el

proponer un diseño industrial de la turbina, eje, sellos y Generador, con el fin de realizar la

comercialización.

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45

7. BIBLIOGRAFÍA

[1] Martínez Izquierdo, Germán Eduardo. Evaluación de Diseño de Turbinas Axiales. Uniandes

Bogotá DC. 2005.

[2] Giraldo Rojas, Ludwing Darío. Diseño, Construcción y Experimentación en Turbinas Axiales con

Diferentes Perfiles Alares. Uniandes Bogotá DC. 20004.

[3] C. V. De Miguel. El Alternador. Edición Ceas Vía Layetana. España, 1971.

[4] Osorio Corrales, Emmanuel. Análisis de Acople de un Rotor Eólico a un Generador de Imanes

Permanentes para un Prototipo Preindustrial de Aerogeneradores de 300W. Uniandes Bogotá

DC.2004.

[5] http://tallereszarandona.net/124/dinamo.htm

[6] http://www.itdg.org.pe/archivos/energia/hidrored%202003%20internet.pdf

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46

8. ANEXOS

10.1 NORMAS SAE J56, ROAD VEHICLES-ALTERNATORS WITH REGULATORS-TEST METHODS

AND GENERAL REQUIREMENTS.

10.2 TQ501 ROTATORY TORQUE SENSOR, Manual.

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47

9. APENDICE

9.1 CALIBRACIÓN DEL TORQUÍMETRO TQ501.

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48

9.1. CALIBRACIÓN TORQUÍMETRO TQ501

Para realizar la caracterización del Alternador BOSCH® es importante corroborar la calibración del

torquímetro, con el cual se pondrá calcular la potencia mecánica posteriormente. Para ello se

implementó el siguiente banco de pruebas.

Figura 28. Montaje calibración Torquímetro TQ501.

El banco de pruebas consiste en realizar la corroboración de la calibración del torquímetro

comparando el torque estático con la tabla de calibración proporcionada por los proveedores del

TQ501. Las mediciones de torque estático fueron realizadas mediante la colocación de masas, que

al ser multiplicadas por la gravedad, proporcionan fuerzas. El torquímetro debe ser alimentado con

una fuente de 10 voltios y mediante el osciloscopio se obtiene la señal en milivoltios que

representa el torque medido. Mediante la siguiente ecuación se encontró el torque estático:

XF *=τ

Ecuación 10 .

Pesas

Fuente Voltaje

OsciloscopioTorquímetro

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49

9.1.1 RESULTADOS OBTENIDOS

La tabla de resultados que se muestra a continuación fue realizada usando masas de 2.27 y 0.77

Kg a diferentes distancias (0.28m, 0.41m y 0.46m):

Fuerza Estática(N) Distancia(m) Torque Estático(N*m) outputs(mv) osciloscopio

Torque Tabla TQ100(N*m)

7.60 0.46 3.50 4.42 3.3915.22 0.46 7.00 8.80 6.7422.25 0.46 10.24 14.47 11.0829.86 0.46 13.75 18.57 14.2237.48 0.46 17.25 22.99 17.607.60 0.41 3.12 3.79 2.90

15.22 0.41 6.24 7.69 5.8922.25 0.41 9.12 12.43 9.5229.86 0.41 12.24 16.28 12.4637.48 0.41 15.37 20.30 15.547.60 0.28 2.13 2.55 1.95

15.22 0.28 4.26 5.34 4.0922.25 0.28 6.23 8.44 6.4629.86 0.28 8.36 11.26 8.6237.48 0.28 10.49 14.11 10.8044.52 0.28 12.46 17.56 13.44

T abla 5 . Resultados Calibración T orquímetro T Q501.

9.2 CÁLCULO DE ERROR DE PRECISIÓN Y VIAS DE LAS MEDICIONES DE TORQUE

Debido a la cantidad de datos que se tomaron para cada distancia y para dar mayor exactitud al

valor nominal, la siguiente tabla muestra el cálculo de error total, en porcentaje, debido al error de

precisión y al error de vías que es proporcionado por los instrumentos de medición que se

utilizaron.

El error de precisión se hallo mediante la distribución de probabilidad T-student:

22 )()(: víasprecisiónErrorTotal εε +

Ecuación 11 .

IM-2005-II-13

50

Para el desarrollo de la distribución de probabilidad T-student se manejó una confiabilidad del

95%, con una muestra poblacional de 6 para cada torque, dando un tx/2,v de 2.571. El error de

precisión se obtiene mediante la derivada parcial de la fuerza respecto al torque y la derivada

parcial de la distancia respecto al torque, multiplicada por la distribución de probabilidad

respectivamente:

22 ))nSx/*v)(tx/2,(*)/(())nSfx/*v)(tx/2,(*)/((:Pr XTFTecisiónError ∂∂+∂∂

Ecuación 12 .

El error de vías se obtiene mediante la derivada parcial de la fuerza respecto al torque y la

derivada parcial de la distancia respecto al torque, multiplicada por el error de los instrumentos

empleados para cada medición respectivamente.

22 )*)/(()*)/((: metroXTpesaFTErrorVías εε ∂∂+∂∂

Ecuación 13 .

IM-2005-II-13

51

9.2.1 RESULTADOS OBTENIDOS

En la siguiente tabla se muestra algunos de los errores aleatorios y de sesgo calculados para el

torque obtenido:

Fuerza DistanciaTorque(N*m)

Fuerza(N)

Distancia(m)

dT/dF promedio

dT/dd promedio tx/2,v

(tx/2,v)*Sfx/n̂1/2

(tx/2,v)*Sx/n̂1/2

Error de Precisión

Error de Bias

Error Total (%)

Media 1.955 6.982 0.257Desviación Std 0.035 0.127 0.005

Media 2.903 7.081 0.382Desviación Std 0.051 0.124 0.007Media 3.387 7.363 0.446

Desviación Std 0.009 0.020 0.001Media 4.089 14.602 0.269Desviación Std 0.055 0.197 0.004





Media 10.800 38.570 0.288Desviación Std 0.026 0.091 0.001Media 12.462 30.396 0.417Desviación Std 0.118 0.287 0.004Media 13.442 48.009 0.302Desviación Std 0.008 0.028 0.000Media 14.216 30.904 0.476Desviación Std 0.186 0.404 0.006Media 15.543 37.909 0.415Desviación Std 0.094 0.230 0.003Media 17.600 38.261 0.470Desviación Std 0.055 0.120 0.001 0.002 0.084 0.001 8.3630.470 38.261 2.571 0.126

0.003 0.143 0.001 14.2500.420 37.909 2.571 0.241

0.007 0.287 0.001 28.6900.480 30.904 2.571 0.424

0.000 0.013 0.000 1.2620.300 48.009 2.571 0.030

0.004 0.179 0.000 17.8570.420 30.396 2.571 0.302

0.001 0.039 0.000 3.9110.290 38.570 2.571 0.096

0.001 0.024 0.000 2.3930.500 24.088 2.571 0.034

0.005 0.153 0.000 15.2760.430 23.219 2.571 0.252

0.003 0.129 0.000 12.9420.290 30.795 2.571 0.316

0.007 0.152 0.000 15.1750.440 14.650 2.571 0.243

0.007 0.151 0.000 15.1200.390 14.358 2.571 0.275

0.002 0.054 0.000 5.4080.290 23.088 2.571 0.132

ERROR TORQUE

4.7700.250 6.982 2.571 0.133 0.005 0.048 0.000

0.380 7.081 2.571 0.130 0.007 0.070 0.000 6.987

0.450 7.363 2.571 0.021 0.001 0.013 0.000 1.340

0.270 14.602 2.571 0.207 0.004 0.079 0.000 7.888

T abla 6 . Cálculo del Error T otal en la Calibración del torquímetro.

Una vez se comprobó la calibración del Torquímetro TQ501, se procedió a armar un banco de

pruebas donde se obtuviera la eficiencia máxima del Alternador.

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