INGENIERIA DE LA ENERGIA HIDRAULICA. Mg. ARRF 1

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1 INGENIERIA DE LA ENERGIA HIDRAULICA Mg. ARRF 1

2 La disponibilidad de la energía ha sido siempre esencial para la humanidad que cada vez demanda más recursos energéticos para cubrir sus necesidades de consumo y bienestar. Las energías renovables que provienen de fuentes inagotables como el Sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros beneficios, son una de las piezas clave en la construcción de un sistema de desarrollo sostenible. Existe una concienciación cada vez mayor sobre los efectos medioambientales que conlleva el actual sistema de desarrollo económico, como son el cambio climático, la lluvia ácida o el agujero de la capa de ozono Actualmente las energías renovables han dejado de ser tecnologías caras y minoritarias para ser plenamente competitivas y eficaces de cara a cubrir las necesidades de la demanda. Mg. ARRF 2

3 EL BOMBEO HIDRÁULICO Mg. ARRF 3

4 EL BOMBEO HIDRÁULICO. Uno de los factores que más reduce la actividad productiva del sector rural peruano es que los sistemas de bombeo de agua convencionales (moto-bomba eléctrica o combustibles fósiles) utilizados para realizar dicho trabajo poseen un alto costo de funcionamiento (costo de combustibles o electricidad) en comparación con los escasos recursos económicos con los que cuentan los campesinos. El bombeo de agua y la energía renovable son socios naturalmente compatibles que pueden crear soluciones económicas para cualquier aplicación remota de bombeo y transporte de agua. Mg. ARRF 4

5 Los sistemas hidráulicos de bombeo de agua son equipos que pueden abastecer de agua a pequeños poblados para el consumo familiar o riego. La fuerza que mueve el equipo de bombeo puede ser un arroyo, un canal u otra forma de agua corriente que pueda suministrar la energía suficiente para bombear agua a alturas superiores. Mg. ARRF 5

6 Funcionamiento del sistema. Los equipos utilizados para bombeo de agua sin gasto de energía eléctrica o combustible (convencional), utilizan la propia energía del río o vertiente para ser accionados. La configuración básica de estos sistemas de bombeo mediante energía hidráulica consta de los siguientes componentes: 1) Represa de desviación o cámara de carga. 2) Tubería de carga. 3) Equipo de bombeo. 4) Tubería de alimentación. 5) Estanque de acumulación. Mg. ARRF 6

7 Criterios para la selección de un sistema de bombeo hidráulico. Para la elección del tipo y tamaño de bomba hidráulica adecuado deben considerarse los siguientes parámetros: - Caudal de agua disponible del río o vertiente a utilizar, en litros por segundo. - Altura de caída vertical máxima o salto hidráulico: Distancia desde donde se captara el agua hasta donde se ubicara el equipo de bombeo, medida en metros. - Altura de bombeo: Diferencia de altura vertical entre el equipo de bombeo y el estanque de almacenamiento o punto del uso, en metros. Mg. ARRF 7

8 - Distancia de bombeo: Recorrido que realizará el agua bombeada desde el equipo de bombeo hasta el estanque de almacenamiento, medida en metros. - Demanda de agua para el riego: agua requerida en litros por día para su uso productivo. Caudal de agua disponible del río o vertiente a utilizar. Esta medición debe realizarse preferentemente cuando el recurso hidráulico sea el mínimo estacional conocido, ya que es de gran importancia conocer con alguna seguridad el caudal del recurso, para poder planificar la superficie a regar, especialmente en los meses de máximo consumo. Mg. ARRF 8

9 Estimación de la altura de caída máxima o salto hidráulico Cuanto mayor es el salto hidráulico, mayor será el potencial energético para un mismo caudal, y en consecuencia, menor será el tamaño requerido de la turbina para producir la misma cantidad de energía. Demanda de agua para el riego. Aunque lo lógico es implementar un proyecto como respuesta a una demanda de agua, no es imposible que se proceda de modo inverso. La razones para ello consisten en que, además, de que el recurso hidráulico ofrece un determinado caudal y salto hidráulico, con sistemas de bombeo mediante energía renovable no se pueden elevar grandes cantidades de caudal. Mg. ARRF 9

10 Determinación de la potencia hidráulica disponible. La potencia disponible de un recurso, dependerá del caudal, el salto hidráulico y el rendimiento del equipo instalado. La elección de los equipos dependerá fundamentalmente de las características geográficas e hídricas disponibles. Para realizar un cálculo aproximado del potencial energético se pueden considerar los rendimientos de la Tabla Mg. ARRF 10

11 La siguiente ecuación permite estimar la potencia real en kw, a obtener a la salida de la sala de máquinas P h 10. h. Q. Donde: P h = Potencia hidráulica disponible (kw). h = Salto hidráulico (m). Q=Caudal (m3/s). =Eficiencia del equipo (%). Estimación del volumen diario de bombeo. Hay tres factores principales que determinan la cantidad de agua elevada por el sistema de bombeo en un sitio específico: el caudal, el salto hidráulico y la altura de bombeo. Mg. ARRF 11

12 La determinación de la altura total de bombeo, al igual que el salto hidráulico, se realiza mediante análisis topográfico, estableciendo la diferencia de nivel entre el punto seleccionado para la captación del líquido hasta el sector donde se ubicará el estaque de acumulación. La cantidad de agua que elevará el recurso hidráulico diariamente se puede calcular aproximadamente a partir de la siguiente ecuación (GEA, 2004): V h Q x h Donde: V h =Cantidad diaria de agua elevada por el equipo de bombeo (l/día). Q = Caudal del recurso hidráulico (l/s). h = Salto hidráulico (m). H = Altura de bombeo (m). Mg. ARRF 12 H

13 RIO-BOMBA La Río-bomba transforma la energía hidráulica del recurso hídrico (río) en energía mecánica. Esto se logra utilizando como elemento motor una rueda hidráulica con diversas innovaciones constructivas y una bomba de desplazamiento positivo, dimensionada de acuerdo al salto hidráulico y caudal del río a utilizar. La rueda hidráulica aprovecha la energía cinética del agua que circula por el río, arroyo o canal de poca pendiente. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el giro de la rueda se transforma en movimiento lineal alternativo para accionar la bomba que eleva el agua desde el río hasta el nivel de descarga deseado. Es una alternativa de solución al problema de elevación de agua cuando el agua que circula por el río, arroyo o canal, tiene poca pendiente y no permite la instalación de bombas de ariete o turbobombas. Mg. ARRF 13

14 Mg. ARRF 14

15 Mg. ARRF 15

16 Qué ventajas posee? La Río-bomba es un mecanismo de bombeo de agua que utiliza la misma energía hidráulica del estero o río del cual se alimenta, para producir el trabajo de elevación de agua. Entrega un abastecimiento de agua eficiente, practico, seguro y económico ante un suministro de agua en forma continua. No posee costos de funcionamiento. Posee un reducido costo de manutención y para realizarla no se requiere mano de obra calificada. Es de fácil traslado y montaje, no se requiere gran inversión en obras civiles que se relacionen con la instalación del mecanismo en su lugar de trabajo. No genera residuos tóxicos, ni ruidos molestos en su funcionamiento, es amigable con el medio ambiente. Mg. ARRF 16

17 Dónde y cómo instalar el equipo? El lugar de ubicación es en orillas de canales o pequeñas represas donde se pueda instalar la Rio-bomba bajo con un pequeño desnivel (de 1 hasta 2,5 metros). Mg. ARRF 17

18 Mg. ARRF 18

19 Accionamiento de la Río-bomba La entrada del agua que acciona la rueda hidráulica puede ubicarse de 2 maneras, por encima o por la mitad de ella. La mejor forma de accionamiento es por encima, ya que el agua inunda el 50 % de la rueda y permanece más tiempo en ella lo que genera mas potencia de bombeo. El ducto (tubo u canaleta) que conduce el agua a la rueda debe estar centrada y a 10 cm. de la parte superior de esta, con una inclinación de 2 a 5 grados. El accionamiento por la parte media de la rueda no es recomendable ya que el agua inunda solo el 25 % de ella y se mantiene por menos tiempo en su interior lo que reduce gran parte la potencia de la Rióbomba. Solo es recomendable cuando las condiciones topográficas (naturales o artificialmente creadas) no periten instalar el ducto de accionamiento por encima. Mg. ARRF 19

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25 Condiciones ideales de operación Mg. ARRF 25

26 Canal-Bomba Mg. ARRF 26

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28 TURBOBOMBA La Turbo-bomba transforma la energía hidráulica del recurso hídrico en energía mecánica para saltos de agua superiores a los 8 metros de altura. Esto se logra utilizando como elemento motor una bomba centrífuga en funcionamiento inverso y una bomba de desplazamiento positivo, dimensionada de acuerdo a las necesidades de bombeo y las características hidráulicas Condiciones ideales de operación Mg. ARRF 28

29 Mg. ARRF 29

30 AEROBOMBAS Estas máquinas transforman la energía eolica en energía mecánica. Esto se consigue mediante un rotor que gira movido por el arrastre de la velocidad del viento. Por medio de una transmisión de bielamanivela, se impulsa una bomba de pistón que a su vez eleva el agua. Mg. ARRF 30

31 I.- ROTOR II.- TORNAMESA III.- VELETA IV.- TRANSMISIÓN V.- TORRE VI.- BOMBA Mg. ARRF 31

32 BOMBAS MANUALES Mg. ARRF 32

33 Bombas de ariete La bomba de ariete es una máquina sencilla que opera bajo el principio de aprovechamiento del golpe de ariete, fenómeno hidrodinámico producido por la detención brusca de una corriente de agua confinada en una tubería rígida. Este fenómeno trae como consecuencia la creación de una onda de alta presión, originada en el lugar en que se produce la detención, que viaja por la tubería. Esta onda posee una presión varias veces mayor que la existente antes de la detención, provocando que el agua fluya hacia el estanque de acumulación Utilizando adecuadamente este efecto, es posible elevar agua hasta una altura varias veces mayor que la caída original, únicamente mediante la energía de la corriente de agua. Mg. ARRF 33

34 Mg. ARRF 34

35 Condiciones ideales de operación Mg. ARRF 35

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