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Cálculo de central hidroeléctrica, Tesinas de Desarrollo Sostenible

Universidad Tecnológica de Querétaro (UTEQ)Desarrollo Sostenible

Parámetros para el cálculo de parámetros de diseño de una microcentral hidroelectrica

Tipo: Tesinas

2019/2020

Subido el 24/09/2020

betzyee-zepeda
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del Proyecto:
“PARÁMETROS DE DISEÑO PARA PEQUEÑAS CENTRALES
HIDROELÉCTRICAS DE BOMBEO”
Nombre de la Organización:
TURBOSERVICE INTERNATIONAL S DE RL DE CV.
Memoria como parte de los requisitos para obtener el título de:
INGENIERO EN ENERGÍAS RENOVABLES
Presenta:
ZEPEDA CORTÉS BETSAIDA
Matricula:
2015350046
Asesor de la UTEQ
Dr. Félix Rafael Ramírez Arpide
Asesor de la Organización
Ing. Robert Weber Michel
Santiago de Querétaro, Qro. Mayo 2019
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¡Descarga Cálculo de central hidroeléctrica y más Tesinas en PDF de Desarrollo Sostenible solo en Docsity!

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

Nombre del Proyecto:

“PARÁMETROS DE DISEÑO PARA PEQUEÑAS CENTRALES

HIDROELÉCTRICAS DE BOMBEO”

Nombre de la Organización:

TURBOSERVICE INTERNATIONAL S DE RL DE CV.

Memoria como parte de los requisitos para obtener el título de:

INGENIERO EN ENERGÍAS RENOVABLES

Presenta:

ZEPEDA CORTÉS BETSAIDA

Matricula:

Asesor de la UTEQ

Dr. Félix Rafael Ramírez Arpide

Asesor de la Organización

Ing. Robert Weber Michel

Santiago de Querétaro, Qro. Mayo 2019

Índice

Resumen

La implementación y diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas de tipo

bombeo, es una alternativa para la generación de energía para pequeñas

comunidades, o bien aquel usuario de gran demanda, ya que el uso de estos

sistemas funciona como una batería energética, en la cual se genera energía

cuando los precios de la energía se alzan debido a la una mayor demanda por

los consumidores. Con el fin de ser una referencia para la empresa Turboservice

International LTD para sus futuros proyectos de desarrollo, se analizaron 3 casos,

los cuales fueron propuestos, variando parámetros como potencia, velocidad,

volumen, saltos de altura y caudal. Para el diseño del sistema de generación,

diseño de turbina y cálculos necesarios para el sistema de bombeo, se realizó

utilizando una hoja de cálculo, así mismo se realizó un balance de energía por

cada caso. Los resultados obtenidos mostraron una relación en los saltos de

altura y caudal con respecto a la potencia generada por el sistema.

Palabras clave: diseño, pequeñas central, hidroeléctrica, bombeo, hoja de

cálculo.

Dedicatoria

Dedico este trabajo a mis padres, por el apoyo y amor que siempre me han dado

A mi hermana Yunnuen por siempre estar presente en mi vida y apoyarme en

cada paso que doy.

A mis amigos por amarme tanto, por aguantarme en los momentos de estrés y

alegrar mis días, siempre sacándome una sonrisa;

A todos ellos por alentarme a cumplir con mis metas.

I. Introducción

El ser humano en todas las etapas de su evolución ha ocupado los recursos de

su entorno para la generación de la energía. Con el avance de la tecnología se

ha visto un incremento en la demanda energética, por lo que el aumento de la

dependencia de combustibles fósiles nos ha llevado a un uso desmesurado de

este recurso. Motivo de que en la actualidad es de interés la aplicación de

energías renovables y la iniciativa de algunos usuarios a producir su propia

energía eléctrica.

La empresa Turboservice International LTD dedicada a la puesta en marcha,

reparación y servicios de sistemas de cogeneración, turbinas de gas y vapor y

turbocompresores, se ha interesado en la aplicación de pequeñas centrales

eléctricas donde el usuario pueda cumplir con sus necesidades energéticas; por

lo que surge la necesidad de facilitar el diseño de estas centrales con una hoja

de cálculo, para estimar de acuerdo a la disponibilidad de flujo de agua, la energía

a producir.

Como parte del proceso de titulación como Ingeniero en Energías Renovables

se realizará y documentará el siguiente proyecto para la acreditación de estadía

profesional que se llevará a cabo en la empresa Turboservice International LTD.

La estadía profesional forma parte del programa de estudios por competencias

de la Universidad Tecnológica de Querétaro, cuyo modelo educativo está basado

en fomentar la innovación y crear una formación integral al fortalecer los

conocimientos obtenidos durante el curso con casos prácticos.

II. Antecedentes

Antecedentes de la empresa.

Turboservice International es una empresa con base en Suiza y México,

contando con personal de más de 40 años de experiencia en plantas eléctricas

de ciclo combinado, turbinas de vapor y de gas, así como turbocompresores para

el uso industrial.

De igual modo ofrece servicios de puesta en marcha, entrenamiento,

reparaciones y otros servicios que se ajustan a las necesidades de los clientes y

da énfasis a su compromiso con el medio ambiente, promoviendo soluciones

alternativas de generación de energía y reducción de consumo eléctrico.

(«Turboservice International TSI | Mantenimiento Turbinas» s. f.)

Antecedentes de la energía hidráulica

La energía hidráulica a lo largo de la historia ha sido empleada para transferir su

energía cinética para el funcionamiento motriz de las maquinas empleadas en

diferente industrias en el siglo XIX (Odriozola 1983) , a finales de este siglo y con

la gran demanda de energía eléctrica dada en los inicios de la revolución

Industrial se dio el uso de las corrientes hidráulicas para la producción de esta.

Figura 1. Primera central hidroeléctrica (1880). Fuente: (H. Ayuntamiento de Culiacán s. f.)

Figura 2. Primera central hidroeléctrica, Batopilas, Chihuahua. Fuente : («Historia de La Industria Eléctrica En México Timeline.» s. f.)

Turbinas hidráulicas

El uso y origen de la turbina hidráulica viene de la época de los romanos A.C,

utilizando las ruedas mecánicas para la molienda aprovechando la corriente de

los ríos. El estudio de Turbomaquinaria como una ciencia inició en 1754 por Euler

con la publicación de su memoria sobre maquinaria hidráulica donde presenta su

teoría de máquinas de reacción, desarrollando la primera ecuación fundamental

de las turbomáquinas, en la figura 3 se muestra el modelo de turbomáquina

ideado por Euler. (Guillermo Carmona González 2015)

Figura 3. Turbomáquina ideada por Euler. Fuente: (Pablo Olazarán Santesteban 2012)

Posteriormente la palabra turbina fue acuñada por el ingeniero francés Claude

Burdin (1790-1873); en 1827 el ingeniero Fourneyron construyó la primera turbina

hidráulica experimental de tipo radial centrifuga, de inyección total y escape libre,

compitiendo con las turbinas desarrolladas por Henschel y Jonval desde 1837;

en 1851 se desarrolló una turbina de acción de inyección total por el ingeniero

Girard.

Asimismo en el siglo XIX surgió el nacimiento de las turbinas Francis y Pelton en

América, siendo desarrolladas hasta el siglo XX, a principios de este siglo

aparecen las turbinas de gran velocidad y rendimiento.

En 1915 se creó la turbina Kaplan; la turbina Turgo en 1914; 1918 la turbina

Bankin; 1950 la turbina Deriaz y en 1970 la turbina Bulbo.

Las turbinas hidráulicas han permanecido en constante evolución desde sus

inicios de desarrollo por la acelerada necesidad de turbinas más rápidas,

compactas y eficientes para la producción de energía limpia.

(Mataix, C 1974)

pequeñas centrales hidroeléctricas de bombeo que puedan autoabastecer al

usuario o interconectarse a la red de distribución, así como conocer los beneficios

ambientales y económicos.

IV. Objetivos

Objetivo general

Analizar los parámetros de diseño de un sistema de pequeñas centrales

hidroeléctrica de tipo bombeo, así como el balance de energía, con el fin de

obtener un antecedente de diseño para el uso de la empresa Turboservice

International.

Objetivos específicos

Analizar las condiciones de funcionamiento y diseño de pequeñas centrales

hidroeléctricas.

Analizar las características de las turbinas hidráulicas.

Proponer tres casos para el diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas.

Diseñar un sistema de cálculo en la herramienta de Excel que facilite el diseño

de pequeñas centrales hidroeléctricas de bombeo.

Realizar un balance de energía de los casos propuestos.

VI. Análisis de riesgos

La importancia de identificar los riesgos posibles de un proyecto es de ayuda para

el cumplimiento de los objetivos establecidos, a continuación se presentan los

riesgos que se identifican para el desarrollo de este trabajo.

Tiempo: el tiempo es el principal factor a considerar en los proyectos, ya que se

tiene que tener un control de la duración de las actividades para cumplir con los

objetivos y realizar un trabajo donde se garantice la calidad.

Accesibilidad de información: se tienen que tener en cuenta los medios por los

cuales se recopile información, verificando diversas bibliografías para asegurarse

de que la fuente de información es precisa.

Accesibilidad de material (Software): se debe tener en cuenta los requerimientos

para la adquisición del software a utilizar, previniendo los costos y tiempos que

estos conlleven.

VII. Fundamentación Teórica

Características hidrológicas

Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli describe la conservación de la energía de las partículas

en movimiento del fluido desplazado en una línea de corriente. La ecuación de

este principio afirma que la energía cinética, potencial y de flujo de las partículas

es constante a lo largo de una línea de corriente, así mismo la ecuación puede

escribirse para el análisis de dos puntos cualesquiera a lo largo de la misma

línea de corriente. (Yunes A. Cengel y John M. Cimbala 2000)

𝑣 12

2𝑔 +^

𝑃 1

𝜌𝑔 + 𝑍^1 =^

𝑣 22

2𝑔 +^

𝑃 2

𝜌𝑔 + 𝑍^2 [ Eq.1]

Donde v es la velocidad del fluido, P es la presión del fluido, Z es la altura de

gravedad, g es la aceleración de la gravedad y 𝜌 se refiere a la densidad del fluido

(Alejandro Hermosin Aumente 2016)

Régimen de fluido

El régimen de un fluido describe su comportamiento dentro de una tubería al tener

variaciones en la velocidad. Los tipos de régimen se mencionan a continuación:

Flujo laminar se le conoce al líquido que fluye en un tubo a bajas velocidades en

líneas paralelas.

Flujo turbulento el cual se presenta al aumentar la velocidad del fluido alcanzando

velocidades críticas, teniendo lugar la formación de corrientes cruzadas y

remolinos

Flujo transicional es aquella transición entre flujo laminar y turbulento, teniendo

fluctuaciones de estos en su comportamiento