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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

CARACTERIZACIÓN DE GENERADORES ELÉCTRICOS EN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

Autor:PedroNavajasDíez

Director:SébastienBesset

Madrid

Mayode2017

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE BACHILLERATO

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma. El autor D. Pedro Navajas Díez, como alumno de la Universidad Pontificia de Comillas (ICAI DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad intelectual de la obra: Caracterización de generadores eléctricos en sistema de refrigeración, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión. Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia habilita para:

a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla ainternet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra eincorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos degarantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modolibre y gratuito a través de internet.

d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarseexpresamente y obedecer a causas justificadas.

e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor. El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:

a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la mismab) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechosde propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor. El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningúnderecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a laintimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, quepudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión. d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional. La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

Ø La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y nogarantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan unuso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más alláde la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no seobtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

Ø La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajola responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales ennombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectualderivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamaciónfrente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que losusuarios hagan uso de las obras.

Ø La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en unfuturo.

Ø La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, ensupuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 30 de Mayo de 2017

ACEPTA

Fdo. Pedro Navajas Díez

Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio Institucional:

SolicitoporelpresentequeesteproyectoseatratadocomoconfidencialporlotantodeaccesocerradoaltratarsedeunproyectoactualllevadoacaboporlaempresaSupergridInstitute;ysolicitoqueseatratadodetalformahastaelvencimientodelacuerdodeconfidencialidadfirmadoconlaempresapormediodeLaÉcoleCentraledeLyon.Dichoacuerdoestablecelaposibilidaddeprórrogadelaconfidencialidaddelmismoporpartedelaempresa,porloqueencualquiercasonopodráhacersepúblicohastaelvencimientototaldelacuerdo,unavezfinalizadaslasprórrogasqueestipuleoportunasSupergridInstitute.

Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título

Caracterización de generadores eléctricos en sistema de refrigeración en

la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad Pontificia Comillas en el

curso académico 2016/2017 es de mi autoría, original e inédito y

no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es

plagio de otro, ni total ni parcialmente y la información que ha sido tomada

de otros documentos está debidamente referenciada.

Fdo.: Pedro Navajas Díez Fecha: 20/ 05/ 2017

Autorizada la entrega del proyecto

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Fdo.: Sébastien Besset Fecha: 2/ 05 /2017

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica


Autor:PedroNavajasDíez

Director:SébastienBesset

Madrid

Mayode2017

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Autor: Navajas Díez, Pedro

Directores: Besset, Sébastien (École Centrale de Lyon

Entidad Colaboradora: Supergrid Institute

RESUMEN DEL PROYECTO

El trabajo persigue desarrollar una solución para alimentar en baja potencia las tarjetas electrónicas de control de convertidores de corriente continua que trabajan a muy alta tensión. La empresa francesa SuperGrid Institute que desarrolla esos convertidores ha encontrado en su desarrollo dos dificultades importantes: disipar el calor que se produce, por un lado, y mantener el aislamiento eléctrico entre los dos niveles de tensión (alta y baja). En el momento actual, la disipación de calor se ha solventado acudiendo a placas refrigeradas mediante la circulación de un fluido y para solucionar el aislamiento se coloca estos convertidores en altura sobre el suelo para separarlos de la tierra (masa eléctrica). SuperGrid Institute propone como proyecto estudiar la viabilidad de alimentar las tarjetas electrónicas de control asociadas, que también deben estar eléctricamente aisladas de tierra, mediante un pequeño generador eléctrico arrastrado por una micro-turbina movida a su vez por el circuito de refrigeración de los convertidores. Dado que tanto la micro-turbina como el generador están también en la zona de alta tensión, no existirían problemas de aislamiento eléctrico entre los dos niveles.

La izquierda de esta figura es una fotografía de los convertidores y sus placas de refrigeración; a la derecha se esquematizan los componentes actuales del sistema.

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SuperGrid Institute ha desarrollado tanto los convertidores como su sistema de refrigeración, éste último ha sido puesto en marcha por la empresa italiana Aavid. Sin embargo, no tenía resuelto todavía el problema de la alimentación de las tarjetas electrónicas de control por lo que propuso a la École Centrale de Lyon financiar un proyecto de estudio para caracterizar pequeñas turbinas y generadores que trabajasen con unos pocos vatios de potencia ya que las tarjetas de control precisan sólo unos 15 vatios.

El proyecto implica en resumen manejar técnicas de mecánica de fluidos, hidráulica e ingeniería eléctrica para las que la École Centrale de Lyon dispone de laboratorios especializados con abundantes instrumentos que se han puesto a disposición del alumno, quién ha tenido también acceso a personal cualificado en las diferentes áreas mencionadas. Supergrid Institute preparó una Hoja de Ruta estableciendo las necesidades energéticas de las tarjetas electrónicas de control y al mismo tiempo indicando las restricciones hidráulicas del sistema de refrigeración. Tras una primera etapa de familiarización con el proyecto, se ha realizado el estudio de los posibles escenarios de integración de los distintos elementos que formarían el sistema.

A continuación, se procedió a buscar componentes disponibles en el mercado que cumplieran los requisitos establecidos en la Hoja de Ruta y acordes con los escenarios preseleccionados. Dicha búsqueda ha dado lugar a la retención de un único escenario al haberse encontrado micro-turbinas que satisfacen solo dicho escenario. Dada la ausencia de suficiente información técnica en las Hojas de Características de los componentes fue necesario concebir y fabricar un banco de ensayos para comprobar tanto los puntos de funcionamiento indicados por el fabricante como otros puntos en los que la micro-turbina pudiera poseer su rendimiento óptimo.

La parte izquierda de esta figura representa el esquema hidráulico del banco de ensayos con los diferentes instrumentos de medida necesarios; es necesario medir el caudal y la presión hidráulicas, así como la tensión e

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intensidad eléctricas en salida de la turbina al tratarse de los parámetros fijados en la Hoja de Ruta. La parte de la derecha es una fotografía del banco construido; se identifica el manómetro arriba en el centro, el caudalímetro a la izquierda y la turbina a la derecha, la bomba y la carga activa de la figura de la izquierda, no aparecen en la fotografía pues con el fin de garantizar el aislamiento entre la parte hidráulica y eléctrica se han situado en una mesa aparte con las medidas de seguridad necesarias.

En el banco de ensayos se efectuaron diferentes series de medidas con dos turbinas diferentes siguiendo un protocolo experimental muy similar para ambas, que permitió finalmente seleccionar sólo una de las dos turbinas, pues la otra turbina no cumplía los requisitos de potencia eléctrica requeridos por la Hoja de Ruta.

Estas dos gráficas presentan las medidas realizadas para la turbina finalmente seleccionada, la micro-turbina Pelton TRD. La parte de la izquierda presenta un mapa tridimensional de las medidas efectuadas; se observa claramente la forma parabólica potencia-tensión esperada (en azul), las medidas realizadas por el fabricante (en amarillo) y finalmente el camino óptimo correspondiente al pico de las parábolas para el cual la turbina presenta su mayor rendimiento (en rojo). El gráfico de la derecha presenta el rendimiento en función de la presión, tanto para las medidas tomadas por el fabricante, como las del camino óptimo; se aprecia que el rendimiento en el mejor de los casos es aproximadamente el doble que el del fabricante, sin embargo, es muy inferior (22%) al de las turbinas encontradas en las grandes instalaciones industriales (85%).

El estudio incluye también una simulación numérica utilizando el programa de ingeniería Matlab con su entorno de simulación Simscape de Simulink; se incluye en esta simulación el sistema completo formado por las tarjetas de control, las placas de refrigeración, la turbina, bomba y el resto de elementos del sistema hidráulico. Este estudio permite concluir que es viable efectivamente la implementación de la solución propuesta por la empresa SuperGrid Institute a pesar de unos rendimientos del orden de 20% para la micro-turbina, invitando por tanto a profundizar en el estudio de los

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diferentes elementos de la misma, con el fin de ver si es posible una optimización de los componentes de la misma (por ejemplo dimensionar adecuadamente el generador, estudiar la forma del inyector o modificar los álabes de la turbina para que se asemejen a los de una Pelton).

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CHARACTERIZATION OF ELECTRICAL GENERATORS IN A COOLING SYSTEM

Author: Navajas Díez, Pedro

Directors: Besser, Sébastien

Collaborating Entity: Supergrid Institute

PROJECT SUMMARY

This report aims to come to a solution to assure the power supply in low electric power of electronic control cards for direct current converters working at very high voltage. The French company SuperGrid Institute that develops these converters has found two major difficulties in their development: on one hand, the dissipative effect of the heat generated, on the other, to maintain the electrical insulation between the two levels of tension (high and low). At present, utilizing refrigeration plates by the circulation of a cold fluid has solved the heat dissipation, and to solve the insulation these converters have been elevated to separate them from the earth (electrical mass). SuperGrid Institute proposes the project of studying the feasibility of feeding the associated electronic control cards, which must also be electrically insulated from ground, by means of a small electric generator carried by a micro-turbine running by the refrigeration circuit of the converters. Since both the micro-turbine and the generator are also in the high-voltage zone, there would be no electrical insulation problems between the two levels.

The left side of this figure is a photograph of the converters and their cooling plates; on the right, the current components of such system are outlined.

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SuperGrid Institute has developed both the converters and its cooling system, the latter has been launched by the Italian company Aavid. However, it had not yet solved the problem of powering the electronic control cards and therefore proposed to the École Centrale de Lyon to finance a study project to study small turbines and generators working with a few watts of power, as the control cards require only about 15 watts.

The project involves, in summary, to handle techniques of fluid mechanics, hydraulics and electrical engineering for which the École Centrale de Lyon has specialized laboratories with abundant tools that have been made available to the student, who also has access to qualified experts in the different areas mentioned. Supergrid Institute prepared a Roadmap establishing the energy needs of the electronic control cards and at the same time, indicating the hydraulic restrictions of the refrigeration system. After an initial stage of familiarization with the project, the study of the possible scenarios of integration of the different elements that would form the system was taken on.

Furthermore, a procedure to look for components available in the market that met the requirements established in the Roadmap and according to the pre-selected scenarios has been taken. This research led to the retention of a single scenario. Given the absence of sufficient information on the manufacturer’s datasheet, the development and manufacture of a test bench was necessary in order to check both, the operating points indicated by the manufacturer and other points where the micro-turbine could have its optimum performance.

The left-hand side of this figure represents the hydraulic layout of the test bench with the various necessary measuring instruments; it is necessary to measure the flow rate and the hydraulic pressure, as well as the voltage and the electric current at the turbine

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output and the treatment of the parameters set in the Roadmap. The image on the right is a photograph of the built bench; It identifies the manometer in the center, the flow meter on the left and the turbine on the right, the pump and the active load on the left image, do not appear in the photograph because they are isolated in order to ensure the isolation between the hydraulic and electrical parts. These have been placed on a table aside following the necessary safety measures.

In the test bench, different series of measurements were carried out with two different turbines following an experimental protocol very similar for both, which finally allowed to select only one of the two turbines, since the other turbine did not meet the electrical power requirements required by the Roadmap.

These two graphs present the measurements made for the selected turbine, the Pelton TRD micro-turbine. The graph on the left is a three-dimensional map of the measurements taken; it clearly shows the parabolic shape voltage-power (in blue), the measurements taken by the manufacturer (in yellow) and the optimum path corresponding to the parabolic peak for which the turbine has the highest performance (in red). The graph on the right shows the performance as a function of pressure, both for the measurements taken by the manufacturer and those of the optimum road; It can be stated that the highest performance is approximately double the manufacturer’s, but is still much lower (22%) than the turbines found in large industrial plants (85%).

The study also includes numerical simulation using the Matlab engineering program with its Simulink Simscape simulation environment; The complete system formed by the control cards, the cooling plates, the turbine, pump and the rest of elements of the hydraulic system are included in this simulation. This study allows us to conclude that the implementation of the solution proposed by the company SuperGrid Institute is feasible, despite a performance of about 20% for the micro-turbine, thus inviting a deeper study of the different elements of the same in order to see if it is possible to optimize the

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components of the turbine (for example, to properly size the generator, to study the shape of the injector or to modify the turbine blades to resemble those of a Pelton).

AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIETOS

AgradecimientosQuiero dar las gracias en particular al profesor Florent MOREL por su ayuda y seguimiento

constante del proyecto y por permitir el trabajo e instalación del banco de ensayos en el laborato-rio Ampère de la École Centrale de Lyon, así como por facilitar las herramientas necesarias para larealización del proyecto.

Quiero agradecer también la labor de Bruno LEFEVRE y del equipo de Supergrid Institute por suconfianza para conceder este proyecto a la École Centrale de Lyon así como por su ayuda y seguimientodel proyecto. También por las aportaciones y correcciones realizadas durante las reuniones que hanpermitido definir y cumplir los diferentes objetivos del proyecto.

Agradezco igualmente al consejero de proyecto Sébastien BESSET de la École Centrale de Lyon suayuda sobre todo en lo referente a la planificación de proyecto.

Dar las gracias a todas las demás personas implicadas en el proyecto, los técnicos de los laboratoriosE6, H9 y H10 por su ayuda a la construcción del banco de ensayos y al Fablab de la École Centrale deLyon por las herramientas aportadas.

Finalmente, quiero destacar también la labor de Eva Arenas, tutora del proyecto en la parte re-ferente a ICAI, por su disponibilidad para solucionar las dudas que han ido surgiendo a lo largo delproyecto y por su interés mostrado para ayudar a los alumnos de intercambio desde el primer momento.

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Resumen

Agradecimientos

Introducción

1 Visualización del sistema global 171.1 Presentación general del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.2 Especificaciones deseadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.1 Al inicio del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.2 Ajuste de las limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3 Estrategia de resolución del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.1 Los diferentes escenarios previstos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4 Especificaciones de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 Búsqueda de la turbina 232.1 Categorías de turbinas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.1 Turbinas a acción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.2 Turbinas a reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Turbinas disponibles en el mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.1 Turbina TRD del Grupo Verne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.2 Picoturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.3 Turbina de la startup Save Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.4 Turbina CLA-VAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.5 Turbina DCPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.6 Turbina Seeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.7 Turbina para barcos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 Turbinas seleccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.1 Turbina TRD del Grupo Verne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.2 Picoturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 Turbinas no seleccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.1 Turbina de la "startup" Save Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.2 Turbina CLA-VAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.3 Turbina DCPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.4 Turbina Seeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.5 Turbina para barco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.6 Cuadros recapitulativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3 Realización de un banco de ensayos 373.1 Concepción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1.1 Elementos del circuito hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2 Simulación Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3 Realización práctica del circuito hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4 Estrategia para la caracterización 434.1 Estrategia de medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2 Protocolos experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.1 Puesta en funcionamiento del dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2.2 Turbina TRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2.3 Picoturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

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4.3 Problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.3.1 Pérdida de potencia en el arranque de la turbina TRD . . . . . . . . . . . . . . . 454.3.2 Problemas en la medida del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5 Caracterización de la turbina TRD 475.1 Caracterización del fabricante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.2 Análisis de los resultados de caracterización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.3 Potencia eléctrica producida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.4 Estudio del rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.4.1 Perdidas hidráulicas en el inyector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.4.2 Pérdidas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6 Caracterización de la picoturbina 536.1 Caracterización de una picoturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.1.1 Análisis de los resultados de la caracterización completa . . . . . . . . . . . . . . 546.1.2 Potencia eléctrica y rendimiento de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.2 Caracterización de picoturbinas en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

7 Integración en el sistema de refrigeración 597.1 Circuito general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597.2 Parámetros de la bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.3 Circuito hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.4 Parámetros de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8 Recomendaciones 658.1 Recomendaciones de la utilización de la turbina TRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658.2 Recomendaciones de estudios futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Conclusion 67

Bibliografía 69

A Plan global del proyecto 71

B Sistemas hidráulicos a una y dos válvulas 72

C Margen de funcionamiento de las turbinas 74

D Ficha técnica TRD 75

E Ficha técnica del generador 76

F Estudio teórico de la turbina Pelton 77

G Puesta en marcha del banco de ensayos 80

H Estudio de dispositivos hidráulicos 81H.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81H.2 Experiencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

H.2.1 Estudio de una bomba centrífuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81H.2.2 Estudio de una Turbina Pelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87H.2.3 Pérdidas de carga singulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93H.2.4 Cierre de una válvula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

H.3 Síntesis del sistema hidráulico completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

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TABL DE FIGUR S

1 Sistema de control HVDC (alta tensión, corriente continua) [1] . . . . . . . . . . . . . . 152 Participantes del proyecto : SuperGrid Institute y École Centrale de Lyon . . . . . . . . 163 Esquema de los componentes del sistema global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Esquema presentanto el Escenario n˚1 previsto para el sistema global . . . . . . . . . 195 Esquema presentando el Ecenario n˚2 previsto para el sistema global . . . . . . . . . 206 Esquema presentando el Escenario n˚3 previsto para el sistema global . . . . . . . . . 217 Esquema del funcionamiento de un inyector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Esquema del funcionamiento de una turbina Pelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Fotografía de una turbina Pelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2510 Características de una turbina Pelton. El rendimiento (en azul) y la potencia de rotación

de la rueda con palas (en rojo) presentan un máximo correspondiente a una velocidadde contacto del agua sobre las palas U bien definida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

11 Esquema de funcionamiento de una turbina Banki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2612 Representación de una turbina Turgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2613 Esquema del funcionamiento de una turbina Kaplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2714 Fotografía de una turbina Francis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2815 Esquema del funcionamiento de una turbina Francis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2816 Fotografía de una turbina Kaplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2917 Fotografía de una turbina TRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3018 Fotografía de la pico turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119 Prototipo de la turbina de la startup Save Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3120 Esquema de la turbina CLA-VAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3221 Fotografía de la turbina DCPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3322 Fotografía de la turbina Seeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3323 Fotografía de una turbina para barco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3424 Cuadro recapitulativo de las microturbinas del mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3625 Cuadro de las turbinas seleccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3626 Esquema del banco de ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3827 Instrumentos de medida : caudalímetro a la izquierda y manómetro a la derecha. . . . . 3928 Bomba hidráulica JET Series 1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3929 Curva característica de la bomba a 50Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4030 Carga Activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4031 Banco de ensayos para la caracterización de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4132 Aumento de la potencia en el arranque de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4533 Potencia producida por la turina en la caracterización del fabricante (naranja) y en los

test experimentales (azul). Se observa una discrepancia importante. . . . . . . . . . . . . 4734 Características de la bomba y turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4835 Representación tridimensional del conjunto de puntos medidos . . . . . . . . . . . . . . 4836 Potencia eléctrica máxima aportada por la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4937 Rendimiento de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5038 Fotografía de la turbina desmontada. Se pueden identificar las palas (en blanco) y la

cabeza del inyector (abajo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5139 Características caudal-presión de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5140 Intensidad de corriente en función de la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5241 Picoturbina abierta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5342 Potencia producida por una picoturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5443 Características presión-caudal de la bomba y de la picoturbina . . . . . . . . . . . . . . 5444 Representación tridimensional del conjunto de puntos medidos . . . . . . . . . . . . . . 5545 Potencia máxima en función de la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

13

LIST

46 Picoturbinas en serie con manómetro de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5647 Potencia suministrada para un caudal de 9 L/min . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5748 Potencia suministrada para caudales de 10,5 L/min (izquierda) y 12 L/min (derecha) . . 5749 Simulación en Simscape del circuito completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5950 Bloques referentes a los parámetros de la bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6051 Circuito hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6152 Bloques relativos a los parámetros de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6253 Comparativa entre valores experimentales e interpolación . . . . . . . . . . . . . . . . . 6254 Plan global del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7155 Sistema con una válvula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7256 Sistema con dos válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7357 Margen de funcionamiento de los diferentes tipos de turbinas [23] . . . . . . . . . . . . . 7458 Ficha técnica de la turbina TRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7559 Características del generador a corriente continua de la TRD . . . . . . . . . . . . . . . 7660 Funcionamiento turbina Pelton[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7761 Características de una turbina Pelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7862 Esquema funcionamiento inyector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7963 Potencia motor en función del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8364 Potencia del fluido en función del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8365 Rendimiento en función del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8366 Coeficiente manométrico función del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8567 Coeficiente de potencia en función del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8568 Rendimiento en función del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8569 Rendimiento en función del número de Brauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8670 Turbina Pelton acoplada al inyector[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8871 Esquema del dispositivo para caracterizar la turbina Pelton[19] . . . . . . . . . . . . . . 8972 Gráfica que muestra la potencia de la turbina en función de la velocidad de rotación . . 9073 Par reducido frente a la velocidad de rotación adimensional . . . . . . . . . . . . . . . . 9174 Rendimiento frente a la velocidad reducida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9175 Rendimiento frente a la velocidad reducida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9276 Dispositivo empleado para medir las pérdidas de carga[20] . . . . . . . . . . . . . . . . 9477 Esquema de la estructura del dispositivo[20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9478 Caudal según la altura del rotámetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9579 Pérdidas de carga en función del caudal másico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9680 Instalación para el cierre de válvulas [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9881 Caudal con el transcurso del tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9982 Presión frente al caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9983 Presentación del sistema teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

1 Especificaciones de la turbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Rendimiento de la picoturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 Características pression - Caudal de picoturbinas en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

14

INTRODUCCION INTRODUCCION

IntroducciónEl transporte de energía eléctrica utilizando la corriente continua se encuentra en una fase impor-

tante de desarrollo porque permite reducir las pérdidas energéticas en el transporte a largas distancias.Además, con esta tecnología es posible controlar de forma precisa la distribución eléctrica ya que laregulación eléctrica se efectúa mediante convertidores eléctricos de alto voltade denominados HVDC(por sus siglas en inglés High Voltage Direct Current) que podemos apreciar en la figura 1. Debido a lastensiones eléctricas puestas en juego, del orden de decenas o centenas de kilovoltios, estos convertidoresy sus tarjetas electrónicas de control deben estar eléctricamente aisladas de tierra ; hoy en día, esteaislamiento se consigue situando dichos elementos a varios metros de altura sobre el suelo. Ocurre, sinembargo, que los convertidores HVDC trabajan y disipan grandes potencias eléctricas, mientras quesus tarjetas de control funcionan alimentadas por unos pocos vatios que, aún así, deben permanecercon el aislamiento eléctrico que exige la alta tensión ; no es posible por ello alimentar estas tarjetasmediante el suministro eléctrico convencional. Dado que los convertirdores HVDC son enfriados porun fluido circulando en un sistema de refrigeración, surgió la idea de estudiar si sería posible generaruna alimentación eléctrica de baja potencia a partir de la energía hidráulica inherente al circuito derefrigeración.

Figur 1 – Sistema de control HVDC (alta tensión, corriente continua) [1]

En el ámbito de sus investigaciones, Supergrid Institute ha tenido que desarrollar las tarjetas decontrol de los sistemas HVDC así como su alimentación. Para ello la empresa Supergrid Institute harecurrido a los conocimientos en la École Centrale de Lyon para estudiar un dispositivo en las condi-ciones indicadas, aliando la mecánica e hidráulica con la ingeniería eléctrica presentes en la ÉcoleCentrale. Este estudio ha cogido la forma de un Proyecto de aplicación industrial (PAi), equivalente aun Proyecto de Fin de Grado (PFG) en España, enmarcado por Supergrid Institute y l’École Centralede Lyon, representados respectivamente por D.Bruno LEFEVRE y D.Sébastien BESSET. Participatambién como supervisor del proyecto D.Florent MOREL, profesor de la École al tiempo que empleadode Supergrid Institute.

Actualmente, la mejor forma de convertir energía hidráulica en energía eléctrica reside en las tur-binas que se encuentran entre otras ubicaciones en las grandes instalaciones hidráulicas (presas, caídasde agua...). Debido a las dimensiones y potencias que tienen lugar en tal sistema, el estudio de esteproyecto se torna hacia tecnologías de micro-turbinas y pico-turbinas, por ello, la solución suponeuna ruptura tecnológica importante en el dominio de la alimentación eléctrica de baja potencia. En

15

INTRODUCCION INTRODUCCION

consecuencia, el objetivo de este PAi es concentrarse en la viabilidad de un dispositivo semejante, quecumpla las necesidades de potencia necesarias para el correcto funcionamiento de las tarjetas de control.

En lo que concierne a la forma de proceder para dar respuesta a tal cuestión, el primer paso esdetallar las especificaciones y expectativas en términos de potencia del conjunto del dispositivo, y enparticular, del sistema de refrigeración y tarjetas de control. En segundo lugar, se lleva a cabo lapresentación de los diferentes tipos de turbinas para finalmente mostrar aquellas seleccionadas comoposibles, al estar en línea con las especificaciones definidas previamente. Una vez escogidas las turbinas,la necesidad de pruebas y de caracterizar sus especificaciones dará lugar a la concepción y posterior-mente fabricación de un banco de caracterización. Finalmente, los resultados obtenidos y analizadospermitirán responder a la cuestión de viabilidad de tal solución tecnológica, y permitirá desarrollarigualmente una simulación numérica de las especificaciones sobre el programa de ingeniería Matlab ysu entorno Simscape de mecánica de fluidos para dársela a la empresa para posibles continuacionesfuturas del proyecto.

Actores del proyecto : Supergrid Institute y École Centrale de Lyon

Los participantes del PAi son numerosos ; por un lado el socio industrial Supergrid Institute y sussocios como la empresa Aavid, encargada de la realización del sistema de enfriamiento, y por otro ladol’École Centrale de Lyon que asigna al alumno un consejero de proyecto y el soporte de un técnico encaso de necesidad.

Figur 2 – Participantes del proyecto : SuperGrid Institute y École Centrale de Lyon

SuperGrid Institute es una empresa que se encarga del desarrollo de diferentes tecnologías utili-zando la corriente continua y alterna con altas tensiones. Esta empresa es socia colaboradora directadel laboratorio Ampère de la École Centrale de Lyon. Lo que facilita el contacto entre SuperGrid Ins-titute a través de su responsable del proyecto D.Bruno LEFEVRE y la École por medio de D.FlorentMOREL, al ser profesor de la escuela al tiempo que trabajador de la empresa solicitante del proyecto.

En lo referente a l’École Centrale de Lyon, el consejero de proyecto es D.Sébastien BESSET, y cabemencionar también la ayuda de los diferentes técnicos que han colaborado en el proyecto para poderllevar a cabo la ejecución del banco de ensayos. Al inicio del proyecto, el consejero de la escuela es directocolaborador con el alumno en la definición de un plan de acción. Dicho plan ha ido evolucionando a lolargo del proyecto y su resultado final es el que se encuentra en el Anexo A.

16

1 VISUALIZACIÓN DEL SISTEMA GLOBAL

1 Visualización del sistema globalEste proyecto de aplicación industrial solicitado por la empresa Supergrid Institute resulta en el es-

tudio de la factibilidad de la utilización de una turbina hidráulica impulsada por un líquido refrigerantepara alimentar tarjetas de control electrónicas concebidas y desarrolladas por la empresa solicitante.El proyecto forma parte de otro proyecto mayor que tiene lugar en paralelo en el seno de la empresaSupergrid Institute e implicando numerosos participantes. El reto inicial es pues disponer de una visiónglobal del sistema para comprender los diferentes aspectos y poder así acotar los diferentes objetivosdel estudio.

1.1 Presentación general del proyectoSupergrid institute trabaja actualmente en el desarrollo de nuevos modelos de tarjetas de control

y de convertidores HVDC. Estos convertidores precisan de un sistema de enfriamiento con el fin demantener una temperatura de funcionamiento aceptable para evitar el sobrecalentamiento del sistema.En el marco del proyecto de la empresa, este sistema de enfriamiento es desarrollado por la sociedaditaliana Aavid.

De forma general, las tarjetas de control son alimentadas con ayuda de una alimentación de tipoclásica utilizando la energía de la red para permitir el funcionamiento del sistema. No obstante, a estegasto energético debe añadirse un coste suplementario : la alimentación de las bombas hidráulicas quepermiten la circulación del fluido calorífico en el sistema hidráulico para reducir la temperatura de losconvertidores. De hecho, las tarjetas de control y los convertidores se sitúan en altura, a varios metrosdel suelo, de ahí la necesidad de bombas para hacer subir el fluido hasta los convertidores.

Gracias a esta reflexión, y teniendo en cuenta el empleo habitual de energía hidráulica en la produc-ción de energía eléctrica, es posible plantear el uso de esta energía hidráulica, aunque su uso primerosea el de asegurar el enfriamiento del sistema en funcionamiento, para alimentar con energía eléctricalas tarjetas de control de los convertidores. La transformación de energía hidráulica en eléctrica, rea-lizada comunmente por medio de turbinas, hace pensar, de forma razonable, en estudiar la viabilidadde un sistema donde la alimentación eléctrica de las tarjetas sea asegurada por la producción eléctricade una turbina.

Para resumir, los elementos eléctricos e hidráulicos necesarios para el correcto funcionamiento delsistema(ver figura 3) son los siguientes :

– Convertidor localizado sobre una placa de refrigeración.

– Tarjetas de control conectadas al convertidor.

– Intercambiador de calor : disipa al aire el calor del líquido refrigerante.

– Bombas hidráulicas : ponen en movimiento el líquido refrigerante.

– Turbina(s) : alimentan con energía eléctrica las tarjetas de control.

El conjunto de estos elementos se indica sobre la figura 3. Es necesario posicionar correctamente losdiferentes elementos en el circuito de forma que respeten los objetivos de funcionamiento requeridospor el comanditario. Tal estudio es realizado a continuación.

17

1.2 Especificaciones deseadas 1 VISUALIZACIÓN DEL SISTEMA GLOBAL

Figur 3 – Esquema de los componentes del sistema global

1.2 Especificaciones deseadas

1.2.1 Al inicio del proyecto

Supergrid Institute fijó una Hoja de Ruta al iniciarse este proyecto con las características deseadaspara el sistema de alimentación eléctrico, que se resumen en las siguientes :

– Rango de tensiones de : 15 a 25 VDC en salida de turbina para alimentar las tarjetas de control.

– Potencia eléctrica : 15 a 30 Vatios en salida de turbina para alimentar las tarjetas de control

Estos objetivos eléctricos deben ser alcanzados respetando siempre las restricciones hidráulicas ligadasal sistema de enfriamiento definido por Aavid y que al inicio del proyecto se resumían en :

– Presión inferior a 3 bar.

– Caudal : 5 a 20L/min.

– Pérdidas de carga máximas de la turbina : 1 bar.

– Temperatura máxima del liquido de enfriamiento : 50˚C.

En consecuencia, estas dos series de parámetros dan lugar a la Hoja de Ruta del proyecto : realizarun estudio de viabilidad sobre la capacidad de una turbina para respetar las especificaciones eléctricasbajo las restricciones hidráulicas que constituyen como máximo una potencia hidráulica de 100W.

No obstante, tras estudiarse las diferentes turbinas existentes y en particular las micro-turbinasexistentes en el mercado (ver el estudio de las turbinas disponibles en el mercado en el apartado 2.2),se constató que las restricciones hidráulicas debían modificarse ligeramente para poder respetar loscriterios de potencia eléctrica a obtener.

1.2.2 Ajuste de las limitaciones

Con el fin de ampliar el rango de turbinas susceptibles de ser utilizadas en el sistema, se precisaba lareducción de las imposiciones sobre el rango de mediciones hidráulicas. Por consiguiente, las diferentesreuniones realizadas a principios del proyecto entre el solicitante y el equipo de proyecto de la empresaen el seno de los locales de Supergrid dieron lugar a ciertos ajustes sobre tal sistema.

De este modo y, de acuerdo con las personas encargadas de la gestión de las imposiciones sobre elsistema de refrigeración, se decidió que la presión utilizada en el sistema podría llegar hasta un valorlímite de 5 bares. De hecho, el parámetro indispensable para el buen funcionamiento del sistema derefrigeración de los convertidores no es otro que el caudal que fluye a través de la placa de enfriamiento.El calor disipado y transportado por el fluido refrigerante está directamente ligado al caudal, lo quepermite tener cierta libertad sobre el rango de presión en el circuito. Para justificar este punto, existe

18

1.3 Estrategia de resolución del problema 1 VISUALIZACIÓN DEL SISTEMA GLOBAL

una analogía entre los valores eléctricos y los valores térmicos : es decir, que se puede definir unaresistencia térmica Rth dependiente de la naturaleza de los materiales. En ese caso, si definimos Pucomo la potencia térmica disipada, tenemos con Q el caudal en m3.s−1 :

Pu = Rth ∗Q2 (1)

La potencia térmica disipada no depende de la presión, por ello existe cierta flexibilidad en el rangode presiones utilizadas.

1.3 Estrategia de resolución del problemaComo se ha mencionado con anterioridad, el conjunto de elementos que constituyen el dispositivo

deben ensamblarse de forma que cumplan los objetivos deseados ; y como se explica a continuaciónexisten varias configuraciones posibles. Conviene estudiar todos ellos con el fin de determinar cual serála mejor solución a poner en marcha. Tal elección de montaje es indispensable, pues determina loscriterios sobre los que reposa la búsqueda de la turbina.

1.3.1 Los diferentes escenarios previstos

Para empezar, hay que destacar que las tarjetas de control están situadas en una zona "alta tensión"situada a varios metros del suelo con el fin de garantizar su aislamiento, mientras que la bombahidráulica se situa en el suelo y está directamente conectada a la masa.

1.3.1.1 Escenario n˚1 El primer escenario posible está representado en la figura 4. Este escenarioposee la ventaja de colocar la turbina en el final del circuito, justo antes de la bomba. La turbinagarantiza así la recuperación de la energía hidráulica restante después de la circulación del fluido en losdiferentes elementos. No obstante, este escenario ha sido abandonado rápidamente debido a la ubicacióndel intercambiador de calor. De hecho, el intercambiador de calor se localizaría en la parte "altatensión", lo que impondría restricciones al no poder garantizar la seguridad eléctrica del dispositivo encuestión. Por consiguiente, el estudio se centrará más particularmente en los dos siguientes escenariosen los cuales, el intercambiador de calor está directamente ligado a la tierra en la zona "masa".

Figur 4 – Esquema presentanto el Escenario n˚1 previsto para el sistema global

19

1.3 Estrategia de resolución del problema 1 VISUALIZACIÓN DEL SISTEMA GLOBAL

1.3.1.2 Escenario n˚2 En el segundo escenario considerado, (ver figura 5), la turbina se sitúadelante de la placa de refrigeración en la parte "alta tensión" que, naturalmente, está directamenteligada a las tarjetas de control. En este escenario, la placa de refrigeración queda localizada detrásde la turbina, por ello el fluido utilizado (agua desionizada) debe salir de la turbina con una presióndiferente a la atmosférica para garantizar su circulación a través de los dos órganos a los que precedela turbina : la placa de enfriamiento y el intercambiador de calor. La ventaja de este sistema es dedesacoplar la parte alta presión del circuito localizada antes de la turbina, y la parte baja presión,situada tras la turbina. De este modo, los órganos de enfriamiento (placa de refrigeración y intercam-biador de calor) trabajan a baja presión, disminuyendo así las restricciones sobre su dimensionamiento.

Además, el escenario restringe la elección del tipo de turbina a utilizar, algunas turbinas como laturbina Pelton, no funciona más que a presión atmosférica en salida de la misma (ver la sección 2.1.1.1).

Otras turbinas funcionan con una presión en salida distinta a la atmosférica como la turbinaKaplan (ver sección 2.1.2.2). Por tanto, si se encontrase una turbina disponiendo de las especificacioneseléctricas deseadas en el rango de funcionamiento hidráulico definido precedentemente, entonces elescenario 2 garantizaría la viabilidad de la instalación.

Figur 5 – Esquema presentando el Ecenario n˚2 previsto para el sistema global

1.3.1.3 Escenario n˚3 Este último escenario aporta dos modificaciones respecto al anterior : laturbina se sitúa tras la placa de refrigeración y el intercambiador de calor tras la bomba. Esta confi-guración retiraría la restricción de presión en salida de la turbina. En efecto, la presión en salida de laturbina puede, en este escenario, ser igual a la presión atmosférica, pues el fluido saliente de la turbinaes inmediatamente puesto bajo presión por la bomba, sin pasar por un órgano de refrigeración. En estecaso, la diferencia de altura es lo que permite la circulación del agua hasta la bomba.

El inconveniente de este escenario radica en que el agua que llega al intercambiador de calor y laplaca de refrigeración puede estar a una presión elevada si la presión necesaria para el funcionamiento dela turbina es importante. Si una turbina necesita una presión P para poder funcionar en las condicionesrequeridas, el dispositivo actual supondría que el intercambiador de calor y la placa de refrigeraciónsufran tal presión P . En consecuencia, pese a que la restricción de presión en salida de la turbina

20

1.4 Especificaciones de la turbina 1 VISUALIZACIÓN DEL SISTEMA GLOBAL

no exista ya, se debe estar atento a la capacidad de los órganos de refrigeración para soportar lapresión que precisa la turbina elegida. Una vez realizadas tales verificaciones, este escenario permitiráresponder a las demandas con la condición de encontrar una turbina apropiada.

Figur 6 – Esquema presentando el Escenario n˚3 previsto para el sistema global

1.4 Especificaciones de la turbinaComo ha sido recalcado en el apartado anterior, los ecenarios 2 y 3 (ver secciones 1.3.1.2 et 1.3.1.3)

permiten responder a las especificaciones una vez encontrada la turbina adecuada. No obstante, lasrestricciones al nivel de las turbinas no son las mismas para ambos escenarios, dando lugar a dos Hojasde Ruta diferentes (ver Tabla 1).

Parámetros Escenario 2 Escenario 3Pe De 0 a 5 baresPs Ps > Pa Pa

Caudal De 5 à 20 L.min−1

Tensiónn De 5 à 25 VDCPelec De 15 à 30 W

Tabl 1 – Especificaciones de la turbina.

siendo las siglas las siguientes :

– Pe : Presión a la entrada de la turbina

– Ps : Presión a la salida de la turbina

– Pa : Presión atmosférica

21

1.4 Especificaciones de la turbina 1 VISUALIZACIÓN DEL SISTEMA GLOBAL

Es por ello que encontrar una turbina que respete una de las dos Hojas de Ruta, es decir, que respetelas especificaciones eléctricas en el rango de funcionamiento hidráulico, permitirá verificar la viabilidaddel sistema. El escenario escogido, es decir, la disposición de los diferentes elementos, depende portanto de la fase de búsqueda de la turbina. Una decisión podrá ser tomada una vez escogida dicha(s)turbina(s).

22

2 BÚSQUEDA DE LA TURBINA

2 Búsqueda de la turbinaEl dimensionamiento de una turbina para el circuito de refrigeración ha requerido una búsqueda

bibliográfica exhaustiva sobre los diferentes tipos de turbinas existentes así como de las turbinas dis-ponibles en el comercio capaces de responder a las especificaciones.

2.1 Categorías de turbinas existentesExisten dos grandes categorías de turbinas de funcionamientos distintos : las turbinas a acción y

las turbinas a reacción. Según las características del flujo, algunas turbinas serán más eficientes queotras (Ver anexo C). El principio de funcionamiento de una turbina es el de transformar la energíahidráulica de un fluido en una energía mecánica de rotación.Un generador eléctrico asegura acto seguidola conversión de la energía mecánica de rotación en una energía eléctrica.

2.1.1 Turbinas a acción

Las turbinas a acción son turbinas que transforman la presión hidráulica del agua en energía cinéticacon el fin de accionar una parte móvil. Un dispositivo estático, llamado inyector, permite efectuardicha conversión. Considerando el agua como un fluido perfecto, en flujo estacionario, incompresibley homogéneo, es posible aplicar el teorema de Bernoulli. La figura 7 representa esquemáticamente uninyector.

Figur 7 – Esquema del funcionamiento de un inyector

Con :

– V1 la velocidad de circulación del fluido previa al inyector ;

– V2 la velocidad de circulación del fluido en salida del inyector ;

– P0 la presión del agua en salida del inyector ;

– P1 la presión del agua a la entrada del inyector ;

– S1 la superficie del paso del fluido previa al inyector ;

– S2 la superficie del paso del fluido posterior al inyector ;

23

2.1 Categorías de turbinas existentes 2 BÚSQUEDA DE LA TURBINA

La velocidad a la salida del inyector se calcula mediante la fórmula :

V2 =

!2(P1 − P0)

ρ(1− S2S1

)2(2)

La velocidad de salida del fluido, y por tanto su energía cinética son utilizados para provocar elmovimiento de la rueda de la turbina y producir energía eléctrica. La presión a la salida tiene porvalor el de la presión atmosférica, pues la turbina se encuentra en contacto con el aire del ambiente yno se encuentra sumergida. Cuanto mayor sea la diferencia entre la presión del fluido P1 y la presiónatmosférica P0 mayor es la energía cinética adquirida como muestra la fórmula 2. La velocidad deeyección depende de la geometría del inyetor así como de las secciones de entrada y salida S1 y S2.

Las siguientes secciones presentan las principales turbinas a acción empleadas en la actualidad.

2.1.1.1 Turbina Pelton

La turbina Pelton es una de las turbinas más extendidas. Dicha turbina tiene las siguientes pro-piedades :

– La velocidad del flujo a la entrada se sitúa en un plano ortogonal al eje de la rueda.

– La rueda de la turbina no se encuentra totalmente sumergida en el fluido.

El fluido es inyectado a una gran velocidad sobre las palas (álabes) de la rueda ( palas con unadivisión media en forma de doble cucharilla) en el plano ortogonal al eje de la rueda, lo que provoca larotación de la misma. La figura 8 ilustra el funcionamiento de la turbina. La figura 9 es una fotografíade la turbina con un inyector.

Figur 8 – Esquema del funcionamiento de una turbina Pelton[3]

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Figur 9 – Fotografía de una turbina Pelton[4]

Una de las características de la turbina Pelton es la de poseer un punto de rendimiento óptimo parauna presión determinada, correspondiente a una velocidad de eyección del agua bien definida comopresentada en la figura 10. Un estudio más detallado de la turbina Pelton está disponible en el anexoF.

Figur 10 – Características de una turbina Pelton. El rendimiento (en azul) y la potencia de rotación dela rueda con palas (en rojo) presentan un máximo correspondiente a una velocidad de contacto del aguasobre las palas U bien definida.

2.1.1.2 Turbina Banki Crossflow

La turbina Banki es una variante de la turbina Pelton. Permite al chorro de agua golpear las palasdos veces en su trayectoria : una primera vez tras salir del inyector y una segunda vez tras atravesarel centro de la turbina que se encuentra vacío. Este principio se ve ilustrado en la figura 11.

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Figur 11 – Esquema de funcionamiento de una turbina Banki[5]

2.1.1.3 Turbina Turgo

La turbina Turgo es una turbina menos costosa que la turbina Pelton con un rendimiento equiva-lente para ciertos flujos. Funciona a alturas de caída para las cuales las turbinas Francis y Pelton sesuperponen. La figura 12 representa el funcionamiento de la turbina.

Figur 12 – Representación de una turbina Turgo[6]

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2.1.2 Turbinas a reacción

Las turbinas a reacción son turbinas que producen energía creando pérdidas de presión entre laentrada y salida de la parte móvil. Ver figura 13. En efecto, la potencia del flujo vale :

Potencia = P ∗D (3)

– Potencia la potencia ligada al flujo del fluido ;

– P la presión del fluido ;

– D el caudal del fluido ;

La pérdida de presión entre la entrada y salida de la turbina se transfiere bajo forma de energíamecánica a la turbina que podrá producir la energía eléctrica necesaria. Para este tipo de turbina lapresión a la salida no tiene por qué ser la presión atmosférica.

Figur 13 – Esquema del funcionamiento de una turbina Kaplan

Las siguientes secciones presentan las principales turbinas a reacción utilizadas

2.1.2.1 Turbina Francis

La turbina Francis es un tipo de turbina que funciona para variaciones de presiones de valor me-dio y caudales medios en la que hay que mantener controlado especialmente el efecto de cavitación. Lafigura 14 es una fotografía de la turbina Francis utilizada en una presa hidroeléctrica. El fluido circulaen espiral a traves de la turbina y la cede una parte de su energía bajando en presión. La figura 15ilustra dicho principio.

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Figur 14 – Fotografía de una turbina Francis[7]

Figur 15 – Esquema del funcionamiento de una turbina Francis[8]

2.1.2.2 Turbina Kaplan

La turbina Kaplan se asemeja enormemente a una hélice de barco. Es una evolución de la turbinaFrancis para bajas variaciones de presión pero caudales elevados. El esquema de funcionamiento ya hasido presentado en la figura 13. La figura 16 es una fotografía de dicha turbina extraída del agua.

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2.2 Turbinas disponibles en el mercado 2 BÚSQUEDA DE LA TURBINA

Figur 16 – Fotografía de una turbina Kaplan[9]

2.2 Turbinas disponibles en el mercadoUna vez descritos y analizados los diferentes tipos de turbinas, resulta necesario analizar qué turbi-

nas existen disponibles en el mercado para responder lo mejor posible a la Hoja de Ruta fijada. Segúndicha Hoja de Ruta (Tabla 1.4) el punto de funcionamiento nominal de la turbina debe corresponder aun caudal entre 5 y 20 L/min y una presión de entre 0 y 5 bares por encima de la presión atmosférica.Debe tratarse de una turbina a acción o reacción y debe producir ente 15 y 30 Vatios de potencia.

2.2.1 Turbina TRD del Grupo Verne

Una de las primeras turbinas encontradas que cumplen con la Hoja de Ruta es la turbina TRD de laempresa española Grupo Verne (figura 17). Esta última, según los valores del fabricante, puede produciruna quincena de Vatios para una presión de hasta 5 bares y un caudal de hasta 20L/min como muestrasu ficha técnica (anexo D). Esta turbina es de tipo Pelton. Se corresponde por lo tanto al escenario 3.Las condiciones en las que se han tomado los valores no aparecen claramente precisadas y a simple vistaresulta imposible de conocer con claridad cómo dichos valores han sido cuantificados. La caracterizaciónde esta turbina sobre un banco de ensayos podrá permitir la precisión del comportamiento de la turbinaen un circuito. Su precio es de unos 300e.

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Figur 17 – Fotografía de una turbina TRD[10]

2.2.2 Picoturbina

Existe también en el mercado una turbina de tamaño más reducido que la TRD. Se trata deuna picoturbina (denominación proveniente de su tamaño de algunos centímetros de diámetro) deuna potencia de 10W para 12V según la descripción del fabricante. Sin embargo, resulta imposible deconocer las características precisas de esta última, pues la descripción, ha sido aparentemente traducidade forma automática del chino al inglés y de ahí al francés de forma poco precisa. La traducción noresulta ni mucho menos clara. Según su aspecto exterior, la turbina parece bastante frágil (ver figura18),lo que explicaría su bajo coste, del orden de 5e.

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Figur 18 – Fotografía de la pico turbina[11]

2.2.3 Turbina de la startup Save Innovation

Un buen candidato para el estudio es la turbina Kaplan en pleno desarrollo por la "startup"de Grenoble Save Innovation ( Figura 19). La turbina, cuya salida al mercado está prevista para2018, permitirá alimentar eléctricamente accionadores y captores dispuestos a lo largo de la red dealimentación de agua. Sus especificaciones son muy interesantes, pues esta podría alcanzar potenciasde 10W a 500W para una pérdida de carga de 0,05 a 0,5 bares según sus condiciones de uso. Su inserciónen un circuito de refrigeración no haría necesaio sobredimensionar los otros equipos para soportar lasaltas presiones. Además, no sería necesario estar a presión atmosférica a la salida de la turbina. Estaturbina corresponde a la perfección con la hoja de ruta del escenario 2. Una incertidumbre respecto asu utilización radica en los caudales necesarios al buen funcionamiento de la turbina.

Figur 19 – Prototipo de la turbina de la startup Save Innovation[12]

31


2.2.4 Turbina CLA-VAL

La turbina producida por la empresa CLA-VAL (Figura 20) es una turbina a reacción para lacual su potencia eléctrica nominal parece interesante pues es de 14W. No obstante, esta última estádimensionada para funcionar a caudales de 68L/min y una pérdida de carga de 0,8 bares. La potenciahidráulica es por tanto de 91W para un rendimiento de 15%.

Figur 20 – Esquema de la turbina CLA-VAL[13]

2.2.5 Turbina DCPA

La turbina DCPA (Figura 21) producida por la empresa NoOutage es una turbina a reacción depotencia nominal de 28W para un caudal nominal de 50L/min y una caída de presión de 2,2 bares. Suprecio es del orden de 380e. La potencia hidráulica es de 183W para un rendimiento de 15%.

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Figur 21 – Fotografía de la turbina DCPA[14]

2.2.6 Turbina Seeed

La turbina producida por la empresa Seeed (Figura 22) es una turbina a reacción que produce unapotencia nominal de 1,1W para un caudal de 8L/min y una pérdida de carga de 2,1 bares. Su preciode venta es de 25e. La potencia hidráulica es de 28W para un rendimiento del 4%.

Figur 22 – Fotografía de la turbina Seeed[15]

2.2.7 Turbina para barcos

La búsqueda de turbinas ha hecho entrar en juego también las turbinas sumergidas utilizadas paralas embarcaciones de recreo que se aprovechan de la velocidad de flujo relativa al agua de mar alrededorde las palas gracias a la velocidad del barco, para producir por una potencia eléctrica. Estas turbinasson de tipo Kaplan y resulta interesante su comparación con los modelos de tipo Pelton. No obstante,

33

2.3 Turbinas seleccionadas 2 BÚSQUEDA DE LA TURBINA

estas turbinas están sobredimensionadas al estar adaptadas para un uso marítimo : su produccióneléctrica es de un centenar de Vatios. La misma, se encuentra en la Figura 23. Estas turbinas sesumerjen en el agua de mar, no reciben por tanto un flujo guiado por un conducto. Su precio resultamuy elevado.

Figur 23 – Fotografía de una turbina para barco[16]

2.3 Turbinas seleccionadasLa búsqueda preliminar ha permitido seleccionar entre los candidatos dos turbinas que han sido

seleccionadas.

2.3.1 Turbina TRD del Grupo Verne

La primera turbina seleccionada es la turbina TRD. Esta turbina funciona en el rango de caudales ypresiones que corresponden a la hoja de ruta. Los datos aportados por el fabricante están aparentementeincompletos pero dan a entender que es posible aumentar más la producción energética y acercarse alos 20W especificados.

2.3.2 Picoturbina

Esta turbina, muy barata, ha sido comprada en la parte final del PAi con el fin de compararla a laprimera y poder cruzar ambas experiencias. No obstante, sus especificaciones resultan mucho menossatisfactorias que las de la primera (Apartado 6).

34

2.4 Turbinas no seleccionadas 2 BÚSQUEDA DE LA TURBINA

2.4 Turbinas no seleccionadas

2.4.1 Turbina de la "startup" Save Innovation

Esta turbina parece poseer buenas características para ser insertada en el sistema de enfriamiento.Sin embargo, al estar aún en proceso de desarrollo, la obtención de un prototipo resulta un procesobastante complicado. Los intentos de contacto con la "startup" para hacer una demanda han sidoinútiles, pues nunca ha habido respuesta por su parte. Por ello ningún ensayo ha podido realizarse condicha turbina.

2.4.2 Turbina CLA-VAL

La turbina realizada por la sociedad CLA-VAL no corresponde exactamente a la Hoja de Ruta.Esto se debe a que su funcionamiento nominal precisa 68L/min, lo que corresponde a más de tres vecesel límite fijado. Por ello, los resultados obtenidos para un caudal de una quincena de litros por minutoserían muy poco eficientes

2.4.3 Turbina DCPA

De la misma manera que para la turbina de la sociedad CLA-VAL, la turbina DCPA necesita uncaudal bastante importante, de 50L/min para ser eficaz.

2.4.4 Turbina Seeed

La turbina Seeed quedó descartada tras verse que no poseía una producción eléctrica suficiente niun rendimiento interesante para satisfacer la hoja de ruta fijada, incluso si se ponen varias en serie .

2.4.5 Turbina para barco

Esta turbina queda descartada al no adaptarse al uso deseado. Demasiado grande, demasiadopotente, y muy cara en comparación con otras turbinas. No es la mejor elección en el marco de lautilización en el proyecto.

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2.4 Turbinas no seleccionadas 2 BÚSQUEDA DE LA TURBINA

2.4.6 Cuadros recapitulativos

El cuadro presentado debajo en la Figura 24 es la recapitulación de las turbinas encontradas enel mercado, en rojo, aquellos parámetros que no respetan las especificaciones. Por tanto, las turbinasseleccionadas son la TRD y la picoturbina, ambas presentadas en el cuadro de la Figura 25

Figur 24 – Cuadro recapitulativo de las microturbinas del mercado

Figur 25 – Cuadro de las turbinas seleccionadas

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3 REALIZACIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS

3 Realización de un banco de ensayosLas dos turbinas que han sido seleccionadas corresponden a la Hoja de Ruta para el Escenario3.

Sin embargo, los valores otorgados por los dos fabricantes están incompletos o directamente son in-existentes. Por este motivo, resulta imposible hacer un modelo realista de las turbinas y simular sucomportamiento en el sistema de refrigeración con los valores del fabricante. Además, los rendimien-tos, calculados a partir de los valores del fabricante, son muy pequeños, del orden del 10% solamente,mientras que en las grandes instalaciones se alcanzan del orden de 80%. Sólo el estudio completo delas turbinas en un banco de ensayos permitirá validar los valores del fabricante, o encontrar otrospuntos de funcionamiento, y estudiar las posibles causas de falta de rendimiento. De este modo, lacontinuación del proyecto se concentra en la concepción y la construcción de un banco de ensayos paracaracterizar las turbinas escogidas.

Con el fin de anticipar posibles problemas en la elaboración de dicho banco de ensayos, así comofamiliarizarse con procedimientos de caracterización y dispositivos hidráulicos (bomba, turbina, perdi-das de carga...), se ha realizado un estudio previo de los dispositivos ya existentes en el Laboratorio deFluidos de la École Centrale de Lyon. Dicho estudio no tiene una repercusión inmediata sobre el bancode ensayos para la turbina del proyecto al tratarse de dispositivos a una escala un poco superior ; sinembargo, ha sido clave para comprender el conexionado de los diferentes elementos y de las diferentesposibilidades que ofrecen, al tiempo que para modelizar un sistema similar al del proyecto con unabomba, turbina y un tubo Venturi, todo ello en un circuito abierto como el del estudio. Dicho trabajode investigación y manipulación de dispositivos de mecánica de fluidos se encuentra en detalle en elanexo H. El estudio realizado en dicho anexo se ha realizado con parámetros adimensionales permi-tiendo adaptar el procedimiento operativo a las necesidades del banco de ensayos a construir sin másque introducir los parámetros de caudal de 20L/min y 10-20W de potencia dando lugar a una ideasobre el dimensionamiento aproximado del banco de ensayos.

3.1 Concepción generalPara diseñar un banco de ensayos, el primer elemento a tener en cuenta es la lista de las diferentes

magnitudes que se desean obtener. El objetivo en este caso concreto, es la medida de las magnitudeseléctricas e hidráulicas de la turbina en el rango de valores impuesto por el socio industrial en la Hojade Ruta. Las magnitudes de entrada son las magnitudes hidráulicas (caudal y presión), y las de salida,son las magnitudes eléctricas (tensión, intensidad, potencia). El circuito es recorrido por el agua quepone bajo presión la bomba hidráulica. Y para hacer variar el flujo entrante en la turbina se ha diseñadoun sistema de válvulas de ajuste que se detalla más adelante. La medida de las magnitudes hidráulicasse realiza mediante un caudalímetro y un manómetro. En lo que respecta a las magnitudes eléctricas,se utiliza una carga activa que permite fijar una tensión, intensidad o potencia al circuito. El bancopermite así la caracterización completa de la turbina al hacer un barrido del rango de funcionamientoeléctrico e hidráulico. El esquema del banco de ensayos es el presentado en la Figura 26 con una bombapara permitir la circulación del agua. Los diferentes elementos del circuito están presentados debajoen el punto 3.1.1.

Las válvulas de ajuste permiten desviar una parte del caudal de la bomba hacia el recipiente dealmacenamiento. Para estudiar la configuración de las válvulas se ha simulado el conjunto con el soft-ware Simulink para encontrar la configuración que mejor se adapte al sistema.

Durante la realización numérica en Simulink del banco de ensayos, se ha estudiado dos casos, cadauno correspondiente a una configuración con una y dos válvulas, con el objetivo de ver como dichasconfiguraciones afectan a la variación del caudal. Los resultados se exponen en la parte 3.2 con ayuda

37

3.1 Concepción general 3 REALIZACIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS

de los diferentes diagramas Simulink.

Figur 26 – Esquema del banco de ensayos

3.1.1 Elementos del circuito hidráulico

En lo que concierne a los diferentes órganos del circuito puesto en marcha, se encuentran por unlado los instrumentos de medida y por otro la bomba y la turbina. Esta parte presenta las caracterís-ticas de los instrumentos de medida y la bomba, pues la turbina ya ha sido descrita anteriormente.

Para las medidas, se dispone de un caudalímetro y un manómetro que permiten medir respec-tivamente el caudal y la presión a la entrada de la turbina. Ambos instrumentos son mecánicos yprovienen de aplicaciones en la industria, lo que garantiza cierta calidad de medida y con ello un buenfuncionamiento pese a las condiciones severas del circuito.

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3.1 Concepción general 3 REALIZACIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS

Figur 27 – Instrumentos de medida : caudalímetro a la izquierda y manómetro a la derecha.[17]

Para medir el caudal se ha utilizado un caudalímetro a resorte para líquidos (Figure 27) de la marcaParker y referencia EF.7731111290. El rango de medidas del caudal es de 2L/min a 30L/min con unapresión máxima de 10 bares. Dado que en el sistema existe un límite de 6 bares de presión, garantizadospor una válvula de seguridad, el caudalímetro está adaptado a la instalación. Finalemente, para uncorrecto funcionamiento, las temperaturas deben estar entre 5oC y 60oC.

Respecto a la medida de la presión, se utiliza un manómetro de referencia WIKA9626829 con unrango de medidas de 0 a 10 bares y una precisión óptima de +/- 1,6% (lectura visual). Este instrumentopuede funcionar en un rango de temperaturas entre -20oC y +60oC

A continuación, el interés recae en la bomba hidráulica (Figure28) que permite la circulación deagua en el circuito. Dicha bomba es una JET Series 1000 que trabaja con agua a una temperaturamáxima de 50oC. La presión máxima de trabajo son 4.5 bares y su caudal máximo es de 65 L/min.Sus características nominales a 50 Hz aparecen presentadas en el gráfico de la figura 29.

Figur 28 – Bomba hidráulica JET Series 1000[18]

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3.2 Simulación Simulink 3 REALIZACIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS

Figur 29 – Curva característica de la bomba a 50Hz[18]

Esta parte se concluye con la carga activa, de referencia BK PRECISIOM 8601 que se encuentra enla Figura 30. Esta carga activa ha permitido, durante la caracterización, marcar los valores de tensióno intensidad así como regular el régimen de funcionamiento eléctrico de la turbina.

Figur 30 – Carga Activa

3.2 Simulación SimulinkEn esta parte se estudian las especificaciones del banco de ensayos con una sola válvula o dos en

paralelo según los diagramas Simulink presentados en el Anexo B. Dicho diagrama se ha construido apartir de las características físicas de los difernetes elementos del circuito del banco de ensayos (turbina,

40

3.3 Realización práctica del circuito hidráulico 3 REALIZACIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS

bomba, válvulas). Sobre dichos diagramas se observa que con una sola válvula, se alcanza un caudalmínimo de 6.4L/min mientras que con dos se llega a descender hasta 2.4L/min. Por esta razón se haconservado la configuración a dos válvulas pues permite recorrer un rango de caudales mayor durantela caracterización.

3.3 Realización práctica del circuito hidráulicoPara la realización del banco de ensayos se han solicitado los instrumentos de medida necesarios

así como la bomba, las válvulas, los tubos, los adaptadores de conexión necesarios para pasar demacho a hembra y viceversa así como cambiar de diámetro donde fuera preciso. En un primer lugar,se han utilizado los recursos disponibles en el Fablab de la École para recortar las planchas de maderaque forman la estructura y realizar el soporte de la turbina. Las planchas de madera se han fijadosobre una estructura en aluminio concebida para soportar los diferentes elementos. Finalmente, se haensamblado todo el circuito hidráulico que permite la caracterización de las turbinas. El resultado esel que se muestra en la Figura 31.

Figur 31 – Banco de ensayos para la caracterización de la turbina

41

4 ESTRATEGIA PARA LA CARACTERIZACIÓN

4 Estrategia para la caracterizaciónUna vez han sido presentados los diferentes componentes del banco de ensayos realizado, es necesario

presentar el enfoque utilizado para caracterizar las turbinas compradas, con el fin de poder respondera la pregunta planteada al inicio del proyecto sobre la viabilidad de la solución prevista.

4.1 Estrategia de medidasCon el objetivo de estudiar la viabilidad de alimentar las tarjetas mediante una turbina, es nece-

sario caracterizar dicha turbina, es decir, conocer sus diferentes puntos de funcionamiento para sabercon mayor precisión sus especificaciones eléctricas en una configuración hidráulica dada (es decir, apresión y caudal fijados). Por consiguiente, las experiencias a realizar sobre el banco de ensayos debenresponder a tal exigencia.

Las dos turbinas utilizadas son turbinas del tipo Pelton, cuyo estudio teórico se encuentra dis-ponible en el apartado 2.3. En dicho apartado, se ilustra la presencia de un maximo de rendimientopara un determinado punto de funcionamiento de la turbina. Es por ello, que las medidas realizadasdeberán permitir conocer con exactitud en que condiciones experimentales es alcanzado dicho rendi-miento máximo para una potencia eléctrica deseada, con el fin de garantizar la mayor eficacia posiblepara el sistema real.

El conjunto de estas demandas para el sistema experimental impone por tanto el siguiente proce-dimiento a seguir : para una situación hidráulica dada, es necesario medir, para una tensión impuestapor medio del empleo de la carga activa, la corriente y la potencia eléctrica a la salida de la turbina. Elconjunto de valores medidos permite el trazado de un "Mapa 3D" que representa los rendimientos delos diferentes puntos de funcionamiento en función de la tension de salida y de la presión hidráulica enentrada de la turbina. Las diferentes curvas caracterizan enteramente las especificaciones de la turbinaen el rango de presión y caudal escogido. Con el fin de garantizar un rendimiento máximo, para cadapareja de presión-caudal, basta con situarse en el punto máximo o pico de la parabola correspondiente.

4.2 Protocolos experimentales

4.2.1 Puesta en funcionamiento del dispositivo

Para permitir la puesta en funcionamiento del dispositivo, respetando toda consigna de seguridad,se deben seguir una serie de etapas (ver Anexo G).

Una vez realizadas dichas etapas, en el orden preestablecido, el sistema funciona normalmente, esdecir, que el agua circula entre los diferentes componentes del circuito hidráulico permitiendo a su veza la turbina producir una cierta potencia eléctrica. La siguiente etapa es, por tanto, presentar comorealizar las medidas deseadas con ayuda de el conjunto de aparatos presentados en aparatos anteriores,teniendo siempre en cuenta que el método sera ligeramente diferente según la turbina escogida.

4.2.2 Turbina TRD

En lo respectivo a la turbina Pelton de la empresa española Grupo Verne, dicha turbina se sumi-nistra con una electroválvula y una caja electrónica de mando que permite cargar una batería. Noobstante, se ha decidido suprimir dichos elementos inservibles para la caracterización. El interés de talelección reside en el hecho que retirar esta parte de control electrónico permite imponer una tensiónen los bornes de la turbina sin poner en peligro una parte auxiliar, ya que en el caso de la turbina se

43

4.2 Protocolos experimentales 4 ESTRATEGIA PARA LA CARACTERIZACIÓN

posee solo posee un motor a corriente continua como parte eléctrica.

El protocolo experimental se subdivide en dos partes :

– Encontrar los puntos de caracterización del fabricante que pueden ser encontrados en el Anexo Dque presenta una curva con la presión en metros columna de agua frente a la potencia en Vatiosy el caudal para cada punto del gráfico.

– Realizar el conjunto de medidas que permitan la caracterización completa de la turbina estudiada.

4.2.2.1 Especificaciones del fabricante Respecto a la caracterización realizada por el fabri-cante, se puede señalar sobre la hoja técnica dispobible en el anexo 58 que la relación entre la tensión yla corriente es casi constante e igual a 15,3Ohmios. Por consiguiente, esta apreciación invita a suponerque el fabricante ha utilizado una resistencia constante para caracterizar los puntos de funcionamientoen vez de buscar el óptimo.

Además, para la obtención de tales puntos, basta con utilizar la carga activa en modo resistencia yfije su valor en 15,3 Ohmios. Tras efectuar el ajuste a 15,3 Ohmios, basta con situarse en las condicioneshydráulicas del fabricante con ayuda de las dos válvulas de ajuste, y de este modo encontrar lasespecificaciones eléctricas de la turbina en dichos puntos. Los resultados son visibles en el apartado5.1.

4.2.2.2 Caracterización completa Tras efectuar esta primera caracterización, resulta necesariodisponer de un procedimiento de caracterización más profundo que el del fabricante. De hecho, lacarga eléctrica empleada para las medidas del fabricamte es una simple resistencia constante, lo que nogarantiza que nos situemos en el máximo rendimiento para las condiciones hidráulicas de entrada. Espor este motivo, que se hace necesario emplear la carga activa para adaptar la carga eléctrica ligada ala turbina con el objetivo de verificar la presencia de un rendimiento máximo. Para ello se utilizará elsiguiente procedimiento :

1. Poner en funcionamiento el dispositivo (cf section 4.2.1)

2. Situarse en las condiciones hidráulicas deseadas ; a presión y caudal fijados.

3. Encender la carga activa

4. Imponer un limite de corriente a no sobrepasar de 4A : valor obtenido a partir de la documentacióndel generador montado sobre la turbina (Ver Anexo E).

5. Ajustar la carga activa con el fin de imponer una tensión deseada.

6. Moverse en el rango de tensiones deseadas y almacenar los valores de potencia y corriente obte-nidos.

Una de las hipótesis principales concernientes al protocolo descrito aquí arriba reside en el hecho queuna modificación de la tensión solicitada por la carga activa, luego una modificación de las magnitudeseléctricas de la turbina, no impacta en las magnitudes hydráulicas a la entrada de la misma. El caudaly la presión en el circuito hidráulico se mantendrán invariantes. Esta particularidad es causada porel inyector de la turbina que provoca la independencia entre las magnitudes eléctricas e hidráulicas.Por consiguiente, el protocolo definido permite caracterizar las especificaciones de la turbina y crearun mapa 3D de la misma, dispobible en la figura 35. Finalmente, una perspectiva futura a realizarsería medir la velocidad de rotación del generador con el fin de verificar los valores obtenidos con ladocumentación del mismo, disponible sobre el anexo E

44

4.3 Problemas encontrados 4 ESTRATEGIA PARA LA CARACTERIZACIÓN

4.2.3 Picoturbina

Ahora, respecto a la pico-turbina, el procedimiento a seguir es sensiblemente el mismo que eldesarrollado previamente para la turbina TRD. No obstante, esta turbina dispone de un circuitoelectrónico incluido, visible sobre la figura 41 que hace imposible fijar una tensión a la turbina por lavía de la carga activa sin dañar el sistema. Por este motivo, en vez de hacer variar la tensión como conla otra turbina, se debe situar la carga activa en modo resistencia, y la variación del valor de la mismapermitirá hacer variar la potencia eléctrica de la turbina para una misma configuración hidráulica asícomo obtener la gráfica tridimensional deseada.

4.3 Problemas encontrados

4.3.1 Pérdida de potencia en el arranque de la turbina TRD

Uno de los problemas mayores encontrados durante la etapa de medición de valores fue la modifi-cación de las especificaciones de la turbina con el transcurso del tiempo tras su arranque. Este factorse observó tras realizar medidas tras un largo tiempo de funcionamiento de la turbina y una semanadespués, con el fin de verificar dichos valores, se realizaron medidas tras el arranque de la turbina.Sorprendentemente, los resultados obtenidos diferían en potencia. En efecto, los valores obtenidos trasel arranque de la turbina eran considerablemente inferiores a los obtenidos la semana anterior para lasmismas condiciones experimentales.

Depués de tal observación, se dió paso a la toma de medidas de potencia de la turbina con el pasodel tiempo tras su arranque. Los resultados hallados se muestran en la figura32.

Figur 32 – Aumento de la potencia en el arranque de la turbina

Se observa que se produce un aumento de unos 3W al cabo de 2 horas de funcionamiento.Lasposibles causas para explicar esta diferencia no están claras y, algunas pistas que se han seguido parainterpretarla resultan difíciles de demostrar. Una de las pistas sería el aumento del rendimiento delgenerador eléctrico con la temperatura, por tanto con el tiempo de funcionamiento. De hecho siemprese aconseja un tiempo tras el arranque de una turbina para obtener el máximo de potencia. En el restode las medidas experimentales presentadas en la continuación, dicho tiempo tras el arranque ha sidorespetado.

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4.3 Problemas encontrados 4 ESTRATEGIA PARA LA CARACTERIZACIÓN

4.3.2 Problemas en la medida del caudal

Durante las diferentes experiencias, se observó un disfuncionamiento a nivel del caudalímetro.Cuando el caudalímetro sufría variaciones bajas, del orden de 0, 5 a 1L.min−1 el instrumento de me-dida no mostraba ninguna variación. Esta situación se debe con casi total seguridad a la tecnología delcaudalímetro que está constituido por un resorte que se contrae por el efecto de la presión siguiendola fueza del agua que entra en el mismo, o también puede deberse a frotamientos a nivel del resorte.Además, las pequeñas modificaciones de caudal, no deben inducir una diferencia de fueza suficiente-mente representativa como para modificar la contracción del resorte.

En cualquier caso, para las medidas precisas del caudal, se ha utilizado como complemento unrecipiente de 10L del que se disponía en salida de la turbina. Midiendo el tiempo que tarda dichorecipiente en llenarse, con la ayuda de una báscula, se obtiene otra vía de acceso al caudal en elcircuito hidráulico.

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5 CARACTERIZACIÓN DE LA TURBINA TRD

5 Caracterización de la turbina TRDLa turbina TRD ha sido caracterizada según el protocolo anterior : tras varios ensayos para en-

contrar los valores y puntos de funcionamiento otorgados por el fabricante, se ha procedido a lacaracterización completa de la turbina a nivel eléctrico e hidráulico.

5.1 Caracterización del fabricanteComo se ha explicado en el apartado 4.2.2, una primera parte de la caracterización consiste en

situarse en las mismas condiciones experimentales que el fabricante para verificar la reproducción desus puntos de funcionamiento. Se ha concluido con la medida de la potencia otorgada por la turbinacuando está conectada a una resistencia de 15,3 Ohmios y alimentada a una presión de 1 a 3,5 bares(protocolo del fabricante).

Figur 33 – Potencia producida por la turina en la caracterización del fabricante (naranja) y en lostest experimentales (azul). Se observa una discrepancia importante.

No se ha logrado encontrar los puntos de medida del fabricante, pues como muestra la figura 33, lapotencia encontrada es mayor que la obtenida por el fabricante para las mismas condiciones hidráulicas.

5.2 Análisis de los resultados de caracterizaciónLa turbina TRD se ha caracterizado en un rango de presiones variando de 1 a 3,9 bares por encima

de la presión atmosférica. Las características de la bomba y de la turbina indican que el punto defuncionamiento máximo es de 4 bares (figura 34). Debido a las pérdidas de carga en los conductos,la presión de 3,9 bares es la máxima alcanzable para la caracterización con este banco de ensayos.A partir de los valores recogidos ente 1 y 3,9 bares, se ha realizado no obstante una estimación delcomportamiento previsto para la turbina entre 3,9 y 5 bares.

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5.2 Análisis de los resultados de caracterización 5 CARACTERIZACIÓN DE LA TURBINA TRD

Figur 34 – Características de la bomba y turbina

Para cada valor de presión el sistema se equilibra a un valor particular de caudal, y ello de formatotalmente independiente a la carga activa de la turbina. Existe por tanto como ya ha quedado comen-tado, una independencia entre las magnitudes eléctricas e hidráulicas del sistema. Para una presiónparticular, se ha recorrido en tensión los puntos de funcionamiento de la turbina y medido en cada unola intensidad suministrada. De este modo, resulta posible trazar un gráfico tridimensional de la poten-cia eléctrica suministrada por la turbina en función de las magnitudes eléctricas (tensión e intensidad)y en función de las magnitudes hidráulicas (caudal o presión). Por ejemplo, la figura 35 Representa eltrazado de la potencia eléctrica en función de la tensión y de la presión.

Figur 35 – Representación tridimensional del conjunto de puntos medidos

A una presión fijada, la curva de la potencia en función de la tensión forma una parábola en la cual

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5.3 Potencia eléctrica producida 5 CARACTERIZACIÓN DE LA TURBINA TRD

el pico representa el punto de potencia máximo. Este punto es también el punto donde el rendimientoes máximo como se ve en la teoría sobre la turbina Pelton en anexos. Esto se debe a que la tensiónen los bordes del generador es la imagen de la velocidad de rotación de la turbina (si despreciamosla resistencia interna de dicho generador). Si la velocidad de rotación de los álabes (y por tanto latensión) no correponde a la velocidad de la eyección del agua del inyector, entonces el acoplamientoentre sistema eléctrico e hidráulico es incorrecto y por ello el rendimiento disminuye. Este factor ocurrecuando la tensión es pequeña, donde el generador frena la rotación de las palas, pero también si esdemasiado elevada, en cuyo caso las palas giran demasiado rápido sin generar un par.

Para todas las figuras siguientes se guardará únicamente los puntos correspondientes al pico de lasparábolas, es decir, los puntos de rendimiento máximo (camino óptimo de la figura 35 en rojo).

5.3 Potencia eléctrica producidaLa figura 36 representa la potencia máxima que puede entregar la turbina para una presión va-

riando de 1 a 5 bares. La figura compara los resultados experimentales con aquellos otorgados por ladocumentación técnica del fabricante (Annexe D).

Figur 36 – Potencia eléctrica máxima aportada por la turbina

La potencia máxima que se ha logrado producir de manera experimental es unas dos veces superiora la potencia producida por el fabricante. Esto se explica por el hecho de que para cada presión se habuscado el punto de rendimiento óptimo mientras que el fabricante lo ha hecho con una carga eléctricafija para todas las presiones.

5.4 Estudio del rendimientoEl rendimiento de la turbina está definido por la relación de la potencia de entrada (potencia

hidráulica) sobre la potencia de salida (potencia eléctrica) :

η =potencia eléctrica producida

potencia hidráulica de entrada(4)

49

5.4 Estudio del rendimiento 5 CARACTERIZACIÓN DE LA TURBINA TRD

η =U ∗ IP ∗D (5)

con :

– U la tensión en los bornes de la turbina ;

– I la intensidad de corriente producida por la turbina ;

– P la presión del agua a la entrada de la turbina ;

– D el caudal de agua circulando en la turbina.

Como en el caso de la potencia producida, situándose en los puntos de funcionamiento óptimos,se llega a casi doblar el rendimiento del sistema. Aún así, el rendimiento sigue siendo débil, puesestá comprendido entre el 20 y 25% mientras que el de una turbina hidráulica a gran escala puedesobrepasar el 90%.

Figur 37 – Rendimiento de la turbina

La turbina TRD está compuesta de un inyector para acelerar el fluido circulante en el circuito,de una rueda con álabes (Figura 38) puesta en movimento por el chorro de agua, y de un generadoreléctrico que convierte la energía mecánica de rotación de la rueda en energía eléctrica. Las pérdidasde potencia que pueden intervenir en los diferentes niveles son :

– pérdidas de potencia hidráulica en el inyector ;

– pérdidas de potencia hidráulica en los álabes ;

– pérdidas de potencia eléctrica en el generador ;

50


Figur 38 – Fotografía de la turbina desmontada. Se pueden identificar las palas (en blanco) y la cabezadel inyector (abajo).

5.4.1 Perdidas hidráulicas en el inyector

La figura 39 representa la característica hidráulica del inyector, relacionando la presión con elcaudal. La curva teórica es obtenida a partir del análisis teórico de la turbina Pelton disponible en elanexo F. Como hipótesis se supone que :

– el fluido es incompresible (hipótesis válida para el agua a la temperatura del estudio) ;

– el fluido es perfecto (viscosidad nula) ;

– el régimen del fluido no es turbulento ;

Figur 39 – Características caudal-presión de la turbina

51


Se obtiene una diferencia significativa entre la curva real y la experimental. Esta diferencia repre-senta un potencial de mejora de la turbina.

5.4.2 Pérdidas eléctricas

Para este modelo de turbina, el generador es una máquina a corriente continua de referencia DOGA162.4106.30.00 cuyas características técnicas se encuentran en el anexo E. Este generador esta dimen-sionado para una corriente nominal de 4 amperios. Pero, tras las medidas se aprecia que dicha turbinano produce más de 2 amperios (Figura 40) luego el generador se encuentra mal dimensionado respectoa la turbina. Este factor, puede ser una de las causas que expliquen un rendimiento del sistema tanbajo.

Figur 40 – Intensidad de corriente en función de la presión

52

6 CARACTERIZACIÓN DE LA PICOTURBINA

6 Caracterización de la picoturbinaLa segunda turbina seleccionada es la picoturbina. De dimensiones reducidas respecto a la turbina

TRD, esta turbina podría ser ventajosa cuando se coloque en serie o paralelo en un circuito. La conexiónen paralelo de turbinas no modifica los parámetros físicos del flujo, pues éste es independiente en cadarama del circuito. En cambio, la configuración en serie es mas delicada a tratar, pues en este casoexiste una perturbación del flujo entre las turbinas de una misma rama. Es por ello que el estudio seha concentrado en esta última solución en serie de una a tres picoturbinas.

Figur 41 – Picoturbina abierta

6.1 Caracterización de una picoturbinaEl protocolo de caracterización es aproximadamente el mismo que para la turbina TRD con la

excepción que la picoturbina posee un circuito electrónico de puesta en forma de la tensión de salida(Figura 41). La turbina impone por tanto una tensión en sus bornes y se ha ensayado en su rango defuncionamiento haciendo variar la resistencia eléctrica de la carga en vez de la tensión (Figura 42).

53

6.1 Caracterización de una picoturbina 6 CARACTERIZACIÓN DE LA PICOTURBINA

Figur 42 – Potencia producida por una picoturbina

6.1.1 Análisis de los resultados de la caracterización completa

Como para la turbina TRD, se puede observar que las características (presión-caudal) de la bombay de la picoturbina tienen un punto en común de funcionamiento ligeramente inferior a 4 bares (Figura43),la diferencia entre las dos curvas se explica por las pérdidas de carga del circuito (manómetro,caudalímetro, conductos...)

Figur 43 – Características presión-caudal de la bomba y de la picoturbina

Modificando el valor de la resistencia en los bornes de la picoturbina, se puede hacer variar la tensióna una presión fijada para trazar el mismo gráfico tridimensional que para la turbina TRD (Figura 44).Las parábolas que se deberían observar aparecen deformadas para las presiones superiores a 2 bares : seaprecia que tras sobrepasar su máximo, las potencias decaen. Para tales valores de presión, la potenciamáxima es alcanzada a una tensión de unos 12V, lo que indica la tensión máxima para la picoturbina.

54

6.1 Caracterización de una picoturbina 6 CARACTERIZACIÓN DE LA PICOTURBINA

Figur 44 – Representación tridimensional del conjunto de puntos medidos

6.1.2 Potencia eléctrica y rendimiento de la turbina

Con las medidas experimentales obtenidas, se observa la evolución de la potencia máxima sumi-nistrada por la picoturbina en función de la presión (Figura 45). Las potencias obtenidas no pasan de1,5W, lo que resulta insuficiente respecto a la potencia necesaria para las tarjetas de control.

Figur 45 – Potencia máxima en función de la presión

Esta potencia tan pequeña producida puede explicarse por los rendimientos inferiores a los de laturbina TRD, del orden de 10 veces menores. Estos rendimientos calculados de la misma forma queexpuesto en la turbina TRD (ecuación 5) están recogidos en el cuadro 2.

55

6.2 Caracterización de picoturbinas en serie 6 CARACTERIZACIÓN DE LA PICOTURBINA

Presión (en bares) 1 2 3 3.4Rendimiento (en %) 2.53 2.63 1.93 1.70

Tabl 2 – Rendimiento de la picoturbina

En el mejor de los casos el rendimiento es de 2.63% para 2 bares. Existen por tanto numerosaspérdidas que son a la vez de origen hidráulico (pérdidas de carga a nivel del inyector, pérdidas depotencia en el contacto con los álabes) y eléctrico (generador de mala calidad por ejemplo).

6.2 Caracterización de picoturbinas en serieDebido a las pequeñas potencias obtenidas con una sola picoturbina, el interés ahora es ver que

pasa con varias de estas turbinas colocadas en serie (Figura 46), tanto de manera hidráulica comoeléctricamente en serie. Los valores retenidos de caudal-presión correspondientes a los ensayos son losindicados en el cuadro siguiente (Tabla 3) :

Número de picoturbinas 2 3Presión (en bares) 2 3 3.75 2.25 3.5Caudal (en L/min) 9 10.5 12 9 10.5

Tabl 3 – Características pression - Caudal de picoturbinas en serie

Figur 46 – Picoturbinas en serie con manómetro de control

De este modo se busca comparar la potencia suministrada por las turbinas puestas en serie conlas de una turbina sola. Por este motivo, se dibujan las curvas de potencia en función de la tensión acaudal constante (Figura 47). En efecto, para poder comparar los valores, hay que ubicarse a caudalconstante y no a presión constante, puesto que la presión medida corresponde a la presión otorgada ala suma de las turbinas y no a una sola.

56

6.2 Caracterización de picoturbinas en serie 6 CARACTERIZACIÓN DE LA PICOTURBINA

Figur 47 – Potencia suministrada para un caudal de 9 L/min

Se puede observar que la potencia máxima es alcanzable para dos picoturbinas (1,01W) mientrasque para una sola es de 0,38W.

Figur 48 – Potencia suministrada para caudales de 10,5 L/min (izquierda) y 12 L/min (derecha)

Mediante la figura 48, se puede observar que el caso de utilización de una tercera picoturbina enserie no es conveniente pues decae la potencia. Esto se debe a que en el rango de presiones alcanzables( de 0 a 4 bares), la potencia máxima resultante de la puesta en serie de tres picoturbinas es inferiora la potencia de dos picoturbinas. Esto se explica por el mero hecho que la presión en entrada de lasturbinas es repartida de forma más o menos equitativa entre ella. Además, la presión dispobile paracada una de las turbinas en el caso de tres picoturbinas es inferior a la que se puede tener con dos.En los ensayos realizados, la presión por picoturbina no sobrepasa los 2 bares, el rendimiento es portanto más bajo para las presiones más bajas (ver Cuadro 2). Es por ello que la suma de potenciassuministradas en el caso de tres picoturbinas es más débil que en el caso de 2.

57

7 INTEGRACIÓN EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

7 Integración en el sistema de refrigeraciónEn vista de los rendimientos obtenidos para la picoturbina, el estudio global ha sido realizado

únicamente con la integración de la turbina TRD en el circuito de refrigeración, pues la otra nocumple con la potencia requerida por las tarjetas de control. El estudio consiste en integrar el modelonumérico de la turbina TRD en el modelo numérico del circuito de enfriamiento para verificar el buenacoplamiento de los dos sistemas..

7.1 Circuito generalAhora que se han obtenido ya los diferentes valores experimentales al caracterizar la turbina, puede

probarse numéricamente el circuito hidráulico con ayuda de una simulación sobre Simscape (Figura49). El circuito se puede dividir en tres partes :

– La parte que concierne a los parámetros de la bomba

– El circuito hidráulico

– La parte concerniente a los parámetros de la turbina.

La simulación está prevista para funcionar tomando como entrada ya sea el caudal y la tensión enlos bornes de la turbina, o bien la tensión y la potencia suministrada por la misma. Una vez fijadasuna de estas dos parejas de valores, esta simulación permite calcular los principales parámetros delcircuito de refrigeración final como puede ser la presión suministrada por la bomba, el caudal en elinterior del circuito y la potencia eléctrica suministrada por la turbina.

Figur 49 – Simulación en Simscape del circuito completo

59

7.2 Parámetros de la bomba 7 INTEGRACIÓN EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

7.2 Parámetros de la bomba

Figur 50 – Bloques referentes a los parámetros de la bomba

El bloque correspondiente a la bomba (Figura 50) es una fuente de caudal constante. Siguiento lapareja de valores iniciales escogidos (caudal-tensión o tensión-potencia), el caudal es, bien fijado porel usuario o bien calculado en el fichero de inicialización de la simulación a partir de la potencia y latensión introducidas por el usuario. Este caudal, se muestra en la casilla roja correspondiente en L/minconvertirtida en m3/s gracias a un factor multiplicador, y después convertido en señal física con el finde enviar la consigna al bloque de la bomba.

La presión suministrada por la bomba es calculada directamente a partir de las pérdidas de cargaen el circuito hidráulico. Un bloque de tipo manómetro diferencial permite obtener esta presión, queuna vez convertida en señal Simulink, es multiplicada por el caudal con el fin de tener un orden demedida de la potencia eléctrica necesaria para el funcionamiento de la bomba. En este caso se hacogido un rendimiento de 0,7 para la bomba, aunque en realidad dicho valor puede variar entre 0,4 y0,8 según el tipo de bomba.

60

7.3 Circuito hidráulico 7 INTEGRACIÓN EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

7.3 Circuito hidráulico

Figur 51 – Circuito hidráulico

El circuito hidráulico (Figura 51) se compone :

– de una bomba modelizada por una fuente de caudal constante

– de un intercambiador de calor modelizado por una resistencia hidráulica lineal

– de dos placas de refrigeración puestas en paralelo y modelizadas por resistencias hidráulicaslineales

– de la turbina modelizada como una resistencia hidráulica variable

La presión suministrada por la bomba se adapta a las pérdidas de carga en el circuito, estas pérdidasde carga son calculadas para cada componente respecto al caudal del circuito (son proporcionales adicho caudal). La bomba permite por tanto compensar la suma de las pérdidas de carga de cadacomponente. Las resistencias hidráulicas de las placas de refrigeración y del intercambiador de calor sehan fijado por medio de los valores otorgados por el constructor Aavid, en cuanto a la resistencia de laturbina, ésta es variable en función del caudal. De este modo, para corresponder a las característicasde presión- caudal (Figura 39) de la turbina, el fichero de inicialización calcula la resistencia de esta apartir del caudal impuesto, de ésta forma sus pérdidas de carga se corresponden bien con las medidasexperimentales.

61

7.4 Parámetros de la turbina 7 INTEGRACIÓN EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

7.4 Parámetros de la turbina

Figur 52 – Bloques relativos a los parámetros de la turbina

Las pérdidas de carga en la turbina (Figur 52) son medidas con ayuda de unmanómetro dife-rencial, esta señal es convertida en señal Simulink y pasada de pascales a bares.Seguidamente, la señal es utilizada con la tensión impuesta en una función Matlab para calcular lapotencia eléctrica suministrada por la turbina.

Para ello, para cada ensayo se asimila las funciones de potencia=f(tensión) a polinomios de segundoorden como sugiere el estudio teórico de la turbina Pelton (Anexo F). La presión dada es encuadrada porlos valores de presión, probados durante los ensayos, se calculan por tanto las potencias obtenidas paralas presiones inferiores y superiores al valor de tensión fijada. Finalmente, se calcula la potencia finalcomo la media de las dos potencias calculadas y ponderadas por las presiones inferiores y superiores.

Figur 53 – Comparativa entre valores experimentales e interpolación

62

7.4 Parámetros de la turbina 7 INTEGRACIÓN EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

Se puede comparar la interpolación empleada en la simulación con los valores experimentales en-contrados en los ensayos. La figura 53 muestra esta comparativa para 1 bar para la turbina TRD. Seaprecia que la interpolación corresponde con bastante fidelidad a los valores experimentales.

63

8 RECOMENDACIONES

8 Recomendaciones

8.1 Recomendaciones de la utilización de la turbina TRDA partir del estudio de la turbina TRD, se pueden encontrar las características del punto de fun-

cionamiento óptimo de la misma gracias a los diferentes ensayos realizados, es decir, para una presióncomprendida entre 0 y 4 bares, lo que es equivalente para esta turbina a un caudal que va de 0 a 14L/min como se aprecia en la característica de Presión- Caudal (Figura 34).

Se considera que el punto de funcionamiento óptimo de la turbina es el que maximiza el rendimientoen el rango de presiones estudiadas. Este punto se obtiene para una presión de 3,5 bares correspondientea un caudal de 12,7 L/min y con una tensión de 11,7 V, que permite obtener el rendimiento máximode 22% suministrando una potencia de 16,3 W.

8.2 Recomendaciones de estudios futurosPara mejorar el rendimiento de la turbina TRD, varios puntos pueden ser estudiados en detalle :

– geometría del inyector : una simulación numérica del flujo en un inyector permitiría optimizar sugeometría para reducir las pérdidas.

– geometría de los álabes de la turbina : los álabes montados sobre la turbina TRD son muy simplesy no permiten un rendimiento óptimo. Las nuevas tecnologías como la impresión 3D permitiríanla fabricación de álabes de una geometría más elaborada, idéntica a las de las turbinas de altaspotencias y de rendimientos del orden de 80%

– modelo de generador : La máquina a corriente continua utilizada por la empresa Grupo Verne noestá bien dimensionada respecto a la potencia producida. Un estudio de dicha máquina permitiríaconocer la pérdida de rendimiento debida al mal dimensionamiento y en caso aplicable, encontrarun generador mejor adaptado.

65

CONCLUSIÓN CONCLUSIÓN

ConclusiónEl estudio de la viabilidad sobre la utilización de una turbina hidráulica para alimentar las tarjetas

de control de convertidores alta tensión desarrollados por la empresa Supergrid Institute ha llevado aestudiar las especificaciones de diferentes turbinas susceptibles de funcionar bajo las condiciones hi-dráulicas del sistema de refrigeración de los convertidores. La concepción y la realización de un bancode caracterización de turbinas ha sido necesario a lo largo de este estudio, han conducido a la obtenciónde características hidráulicas y eléctricas completas de las turbinas seleccionadas.

La utilización de estos valores ha permitido la simulación numérica del dispositivo constituido porel conjunto de componentes implicados en el funcionamiento y alimentación de las tarjetas de control.Los resultados obtenidos vía dicha simulación parecen confirmar la viabilidad de un dispositivo se-mejante de alimentación eléctrica. De hecho, una de las turbinas seleccionadas dispone de puntos defuncionamiento capaces de suministrar la potencia requerida para el funcionamiento correcto de lastarjetas de control. Por otro lado, se ha constatado que una puesta en serie de turbinas de baja poten-cia representa una solución simple a poner en práctica para aumentar significativamente la potenciaeléctrica producida y constituye por ello un eje a desarrollar para la futura realización industrial deldispositivo.

No obstante, los rendimientos de las turbinas empleadas en el transcurso del estudio, que son delorden de un 20%, constituyen un problema para la viabilidad energética y económica del sistemageneral. Algunas elecciones tecnológicas durante la concepción de las turbinas parecen ser el origende estos bajos valores respecto a los constatados en las turbinas de grandes dimensiones empleadas alnivel de presas hidráulicas. Por ello, el desarrollo de más estudios sobre tales fallos tecnológicos, comode la geometría del inyector y álabes deberían permitir aumentar y maximizar dicho rendimiento.

67

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A PLAN GLOBAL DEL PROYECTO

Anex A : Plan global del proyecto

Figur 54 – Plan global del proyecto

71

B SISTEMAS HIDRÁULICOS A UNA Y DOS VÁLVULAS

Anex B : Sistemas hidráulicos a una y dos válvulas

Figur 55 – Sistema con una válvula

72

B SISTEMAS HIDRÁULICOS A UNA Y DOS VÁLVULAS

Figur 56 – Sistema con dos válvulas

73

C MARGEN DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS

Anex C : Margen de funcionamiento de las turbinas

Figur 57 – Margen de funcionamiento de los diferentes tipos de turbinas [23]

Nota : Los órdenes de magnitud son diferentes de los buscados, pero este gráfico se mantieneequivalente en menores dimensiones.

74

D FICHA TÉCNICA TRD

Anex D : Ficha técnica TRD

Figur 58 – Ficha técnica de la turbina TRD[10]

Nota : 1 mca = 0.098 bar

75

E FICHA TÉCNICA DEL GENERADOR

Anex E : Ficha técnica del generador

Figur 59 – Características del generador a corriente continua de la TRD

76

F ESTUDIO TEÓRICO DE LA TURBINA PELTON

Anex F : Estudio teórico de la turbina PeltonUna turbina Pelton es una turbina que tiene las siguientes propiedades :

– la velocidad del flujo a la entrada se sitúa en un plano ortogonal al eje de la rueda,

– la rueda de la turbina no se encuentra totalmente sumergida en el fluido.

El fluido es inyectado bajo presión sobre los álabes de la rueda (álabes con una línea mediana, enforma de dobles cucharillas) en el plano otogonal al eje de la rueda, lo que provoca la rotación de larueda (ver figura 60).

Figur 60 – Funcionamiento turbina Pelton[3]

A la salida del inyector, el fluido está a presión atmosférica ( pues la rueda está en contacto con elaire del ambiente). Además, una turbina Pelton es una turbina a acción : solo la energía cinética delfluido es recuperable.

El eje de la rueda está ligado al alternador para convertir la energía mecánica en eléctrica.Se puede demostrar [2] que el par ejercido por el fluido sobre la rueda se calcula porla ecuación :

C = −KρQvR (Ve − U) (6)

donde K ∈ [0; 2] es una constante que depende de la geometría de los álabes, Qv es el caudal volumétricodel fluido en el inyector, R es el radio característico de los álabes de la turbina, Ve es la velocidadabsoluta a la entrada en la rueda y U la velocidad de accionamiento del fluido a la entrada de la rueda(es decir U = RΩ con Ω la velocidad de rotación de la rueda).

77


La potencia mecánica de la rueda resulta por tanto :

Prueda = |C|Ω = KρQvU(Ve − U) (7)

en donde Ω = UR es la velocidad de rotación de la rueda

La potencia del chorro a la salida del inyector se escribe :

Pchorro = Qv∆P (8)

donde Qv es el caudal volumétrico del fluido en el inyector y ∆P la variación de presión del fluidoentre la entrada del inyector y la presión atmosférica.

El rendimiento de la turbina Pelton es por lo tanto :

η =Prueda

Pchorro=

KρQvU(Ve − U)

Qv∆P=

KρU(Ve − U)

∆P(9)

La caractéristica de una turbina Pelton se indica en la figura 61.

Figur 61 – Características de una turbina Pelton

Dicho rendimiento es máximo para U = Umax = Ve2 y se calcula mediante :

ηmax =KρV 2

e

4∆P(10)

considerando un circuito cerrado constituido por una turbina Pelton y una bomba imponiendo uncaudal volumétrico Qv y una presión P (ver figura 62). Se llama ρ a la masa volumétrica del fluidoempleado, Se a la sección a la salida del inyector de la turbina (ver figura 62) y S la sección de entradadel inyector.

78


Figur 62 – Esquema funcionamiento inyector

La diferencia de presión entre la entrada y salida del inyector es igual a∆ P = P− Patm dondePatm es la presión atmosférica.

La velocidad del fluido a la salida del inyector vale :

Ve =Qv

Se(11)

La velocidad del fluido en los diferentes conductos se escribe :

V =Qv

S(12)

Además, el rendimiento máximo es (según (10)) :

ηmax =KρQ2

v

4S2e∆P

(13)

Y aplicando directamente el teorema de Bernoulli al inyector (lícito al tratarse de un fluido noviscoso, incompresible, sin fuerzas que derivan del potencial y con un flujo estacionario), se obtiene(utilizando (11) y (12)) :

∆P =1

2ρQ2

v

!1

S2e

− 1

S2

"(14)

De donde sale un rendimiento máximo (según (13) y (14)) :

ηmax =K

2

!1− S2

e

S2

"−1

(15)

79

G PUESTA EN MARCHA DEL BANCO DE ENSAYOS

Anex G : Puesta en marcha del banco de ensayosCon el fin de garantizar el buen funcionamiento del banco de caracterización, las siguientes etapas

deben ser realizadas atendiendo al orden establecido a continuación :

1. Rellenar el depósito de agua por lo menos a media altura

2. Colocar los conductos de salida en el depósito (3 : válvula de seguridad, válvula de control decaudal y turbina)

3. Colocar el conducto horizontal de la bomba en el grifo del depósito

4. Abrir el grifo del depósito al máximo y mantenerlo abierto

5. Abrir las dos válvulas de control de caudal al máximo

6. Verificar que no existen fugas (en las sujeciones en la bomba) y que la bomba se encuentratotalmente llena de agua (sin aire en los conductos)

7. Verificar el conexionado de la mesa eléctrica y la bomba

8. Conectar la turbina a la carga activa

9. Conectar la bomba a la red eléctrica

10. Asegurarse del correcto funcionamiento del circuito hidráulico y de la turbina

80

H ESTUDIO DE DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS

Anex H : Estudio de dispositivos hidráulicosComo se ha mencionado en el apartado 3, Concepción de un banco de ensayos, se ha realizado en

paralelo con este trabajo un estudio de dispositivos hidráulicos. El objetivo perseguido es doble yaque se trata, por una parte, de familiarizarse con estos elementos, y por otra, identificar los que seríanecesario utilizar para construir un banco de ensayo. El estudio ha sido posible gracias a la colaboracióndel Laboratorio H10 de mecánica de fluidos que ha facilitado los diferentes dispositivos y su experienciaen sistemas hidráulicos. El banco construido es un modelo a escala reducida de un sistema real cuyascaracterísticas energéticas están relacionadas.

H.1 : IntroducciónEl estudio de los sistemas hidráulicos es primordial en mecánica de fluidos ya que han sido utiliza-

dos por los hombres para transportar fluidos de un sitio a otro desde la antigüedad. No obstante, sutransporte en ocasiones resulta complicado. Por ejemplo, para sobrepasar los desafíos impuestos porel terreno, los romanos crearon acueductos ; en la actualidad, nuevos desafíos implican el transporte agrandes alturas como en rascacielos, que se han solucionado mediante el uso de bombas hidráulicas. Sinembargo, el transporte de fluidos no es la única utilidad de los sistemas hidráulicos que son empleadosen muchos otros campos que van desde una sencilla rueda de molino que convierte la energía del fluidoen energía mecánica de rotación hasta la moderna turbina de hoy en día, que permite transformar laenergía del fluido en energía eléctrica. Por esta razón, la energía hidráulica se considera en la actuali-dad como renovable y resulta importante dimensionar adecuadamente tales sistemas hidráulicos y susdispositivos constituyentes para maximizar su rendimiento y poderlos aplicar en el día a día de formaeconómica.

El ingeniero debe estudiar y conocer las necesidades particulares en las que debe operar cadasistema hidráulico y, en base a ellas dimensionar los diferentes elementos que lo integran con vistas amaximizar el rendimiento energético. Con este objetivo en mente se comenzó este trabajo estudiandodetalladamente el comportamiento de una bomba y de una turbina hidráulicas bajo condiciones deoperación variables ; ésto permitió entender diferentes fenómenos que se producen en los circuitoshidráulicos, como son la pérdida de carga o el golpe de ariete. Se han utilizado para ello los equiposexistentes en el mencionado laboratorio H10 y una vez caracterizados los mismos se diseño un sistemahidráulico completo.

H.2 : Experiencias

H.2.1 : Estudio de una bomba centrífuga

Se comenzó por estudiar el comportamiendo de una bomba centrífuga cuyo objetivo es desplazarel fluido que entra a la misma de forma continua y que sale de ella para producir energía mecánica. Enel estudio global del sistema hidráulico, jugará el papel de fuente de energía, al dar al fluido la energíaque utilizará la turbina para alimentar las tarjetas de control.

El objetivo de este estudio es, por tanto, determinar experimentalmente las curvas característicasde la bomba centrifuga y en particular, encontrar la relación entre la potencia transmitida al motor yel caudal, así como determinar bajo qué condiciones el rendimiento es óptimo.

81

H.2 Experiencias H ESTUDIO DE DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS

El sistema está formado por dos partes : el motor y un conjunto de palas que giran con el eje delmotor.

En primer lugar, el motor es alimentado eléctricamente y dispone de un reóstato que permite modi-ficar la tensión y por tanto variar la velocidad. El árbol del motor está fijado al conjunto de palas queconstituyen el elemento centrífugo y, su rotación, bombea el agua de la válvula de entrada a la de salida.

El montaje experimental permite medir los parámetros siguientes :

– La velocidad de rotación del árbol gracias a un tacómetro conectado al mismo.

– El par motor gracias a una báscula conectada al eje con un sistema de palanca

– La presión de agua en el conducto antes y después de entrar a la bomba mediante sendos manó-metros manómetros

– El caudal del fluido mediante un caudalímetro

H.2.1.2 : Resultados y representación de los valores medidos .

Gracias a las medidas indicadas en la parte anterior, es posible calcular otros parámetros de interéspara el estudio. Entre ellos se distinguen los sisguientes :

– La potencia suministrada a la bomba por el motor : Pmotor en W

– La potencia mecánica transmitida al fluido por la bomba :Pfluido expresada en altura de columnaagua y medida en metros

– El rendimiento de la bomba : η en %

Las fórmulas que dan lugar a dichos resultados son las siguientes :

Pmotor = CN (16)

Siendo C el par en N m (Newton metro) y N la velocidad de rotación en vueltas por minuto.

Pfluido = g.Hm.ρ.Qv (17)

Con g la aceleración de la gravedad, Hm la altura manométrica del agua en m, ρ la masa volumétricadel agua en kilos por métro cúbico y finalmente Qv el caudal en metros cúbicos por segundo.

η =Pmotor

Pfluido(18)

Se observa que las gráficas asociadas a un cierto parámetro, por ejemplo la potencia del motor, tie-nen una forma semejante para las 3 velocidades de rotación utilizadas. Debido a que la interdependenciaexistente entre los diferentes parámetros no se puede determinar, por ejemplo, cúal sería el caudal paraobtener el rendimiento máximo ; se acude para ello al uso de unos parámetros adimensionales que seestudian en los párrafos siguientes.

82


Figur 63 – Potencia motor en función del caudal

Figur 64 – Potencia del fluido en función del caudal

Figur 65 – Rendimiento en función del caudal

83


2.1.2.a - Análisis dimensional

Si se emplean variables adimensionales en el análisis de un dispositivo que se tiene condiciones dife-rentes de funcionamiento muy distintas, se obtienen resultados que simplifican la solución del problemaplanteada en el punto anterior.

La determinación de los parámetros adimensionales se realiza acudiendo al teorema de Vaschy-Buckingham ; este teorema permite emplear unos coeficientes adimensionales que caracterizan el fun-cionamiento del sistema, a partir de un cierto número de variables independientes del mismo. Esteteorema se basa en el siguiente razonamiento :

Sea un fenómeno descrito por (n-1) magnitudes físicas. Toda nueva magnitud física suplementariasera determinada por las (n-1) precedentes :

SN = g(S1, S2..., Sn−1) (19)

O bien :f(S1, S2..., Sn−1, SN ) = 0 (20)

El teorema de Vaschy-Buckingham explica que existe también una relación entre (n-p) magnitudesadimensionales Mi tal que :

h(M1,M2, ...,Mn−p) = 0 (21)

En donde p es el número de dimensión del problema y los Mi son formas adimensionales, indepen-dientes y monótonas de θi.

Gracias a tal teorema, se pueden obtener tres nuevos parámetros que caracterizan la bomba hi-dráulica antes caracterizada :

El coeficiente de potencia τ , el coeficiente manométrico µ y el coeficiente de caudal δ, que se definenmediante las siguientes fórmulas :

τ =Pfluido

ρ.N3.D5(22)

Siendo N la velocidad de rotación en vueltas por minuto, ρ la masa volumétrica del agua en Kg/m3)y D el diámetro de la rueda en m

µ =g.Hm

N2.D2(23)

Con g la aceleración de la gravedad y Hm la altura manométrica del agua en m. Y :

δ =Qv

N.D3(24)

Con Qv es el caudal volumétrico en m3/s.

De este modo, resulta posible trazar el coeficiente de potencia, el coeficiente manométrico y elrendimiento en función del caudal como se indica en las figuras 66, 67 y 68 :

84


Figur 66 – Coeficiente manométrico función del caudal

Figur 67 – Coeficiente de potencia en función del caudal

Figur 68 – Rendimiento en función del caudal

A diferencia de lo que se observaba en las figuras 63, 64 y 65 en estas nuevas se superponenlos puntos experimentales en las tres condiciones de velocidad de la bomba lo que permite concluircon facilidad algunos resultados ; por ejemplo para un coeficiente de caudal de 0.0008 el rendimientopresenta un máximo.

85


2.1.2.b - Número de Brauer

Algunos fabricantes franceses de bombas emplean también para caracterizar sus dispositivos elnúmero de Brauer. Este coeficiente no es adimensional y se corresponde a la velocidad, expresada envueltas por minuto, a la que debería girar una bomba para proporcionar un caudal de un metro cúbicopor segundo con una altura manométrica de un metro. Dicho número se escribe :

η =N.Q1/2

v

H3/4m

(25)

Este número permite caracterizar una bomba y, por ejemplo se puede obtener la velocidad derotación del motor para una altura de agua y un caudal volumétrico fijados. Además, conociendo elcaudal y la altura de agua, se conoce la potencia que se desea dar al fluido, y sabiendo el rendimientode la bomba, se puede deducir la potencia del motor correspondiente ; ambos parámetros permiten así,dimensionar el motor asociado a la bomba para un uso deseado. De este modo resulta posible trazarel rendimiento en función del número de Brauer :

Figur 69 – Rendimiento en función del número de Brauer

Una vez más, como se observa en la figura 69, los valores correspondientes a las velocidades sesuperponen, y además, el rendimiento presenta un máximo. En eso radica el interés de dicho númerode Brauer, pues permite tener acceso al rendimiento máximo sin importar cual sea la velocidad. Parael rendimiento máximo se obtiene aproximadamente un número de Brauer de 24. Por tanto, paraoptimizar el funcionamiento de esta bomba se debe funcionar a dicho número de 24. Empleando lafórmula de dicha número y fijándolo a 24 se obtiene una ecuación de tres variables modificables deforma independiente.

24.H3/4m = N.Q1/2

v (26)

El rendimiento será máximo siempre y cuando se verifique la ecuación 26.

86


H.2.2 Estudio de una Turbina Pelton

H.2.2.1 Recapitulación teórica y fenomenológica .

2.2.1.a - Análisis de las especificaciones

El objetivo principal de una turbina Pelton, como ya ha sido comentado en la parte sobre las tur-binas a acción y el anexo sobre la turbina Pelton, es transformar la energía cinética del fluido que llegaal nivel de la turbina en energía mecánica por la la rotación de la rueda para finalmente convertirla eneléctrica haciendo girar un generador. El caudal de agua que proviene de los conductos es impulsadopor medio de un chorro sobre una rueda fija ligada a un árbol de transmisión y, tras impactar sobrelos álabes, se produce la rotación de la rueda. Este tipo de turbina es muy frecuente en las presas ycaídas de agua.

Al estudiar las especificaciones de las turbinas hay que distinguir dos características fundamentales :

– La potencia de entrada, de tipo hidráulica

– La potencia de salida, de tipo eléctrico o mecánico si se tiene como referencia la etapa intermediaentre la rueda y el generador.

En el primer caso, llamando H a la carga en presión del agua al nivel de la turbina, la potenciahidráulica recuperable es :

Pjet = H.Qv (27)

Por otro lado, la potencia efectiva recuperada por la rotación del árbol se escribe :

Pmeca = C.w (28)

Con :

– C el par en N.m

– w la velocidad de rotación del árbol en radianes por segundo

De este modo, el rendimiento teórico de una turbina es :

η =Pmeca

Pjet(29)

2.2.1.b - Análisis dimensional

Al igual que se ha realizado con la bomba, el interés ahora radica en la búsqueda de los parámetrosadimensionales con el fin de caracterizar el funcionamiento y especificaciones de los diferentes modelosde turbinas. Por analogía a lo realizado con la bomba hidráulica se han buscado las leyes de similitudinvariantes en función de ciertos parámetros ; estas leyes se pueden visualizar con ayuda de las curvasadimensionales.

Con el fin de determinar tales parámetros, primero se ha realizado una lista de los diferentes valoresdimensionales independientes que permiten caracterizar la turbina :

– Un valor D, característico de la geometría de la máquina

– La viscosidad µ y la masa volumétrica ρ del fluido incompresible

87


– La altura de caída disponible

– La velocidad de rotación w

– El caudal Qv

El teorema de Vachy-Buckingham se ha comentado en la parte sobre la bomba implica que existen3 parámetros adimensionales independientes. Se han retenido los siguientes dos parámetros indepen-dientes :

N11 =w.D2√g.H

(velocidad.de.rotacion.adimensional) (30)

Q11 =Qv

D2. 2√g.H

(caudal.de.rotacion.adimensional) (31)

De dichas ecuaciones se pueden deducir otros dos parámetros adimensionales :

C11 =C

ρ.g.H.D3(Par.adimensional) (32)

W11 =P

ρ.D2.(g.H)3/2(Potencia.reducida) (33)

H.2.2.2 Dispositivo y protocolo experimental .

2.2.2.a - Descripción general

El dispositivo de turbina facilitado por el laboratorio H10 se muestra en la figura 70. Dicha turbinaestá alimentada por una bomba que proporciona presión equivalente a una caída de agua. Dichabomba impone un determinado caudal que puede ser modificado, al igual que en el banco de ensayosconstruido en el proyecto, por medio de válvulas ; el esquema del dispositivo se encuentra en la figura71. La potencia hidráulica proporcionada por la bomba, hace girar los álabes de la turbina, y estoorigina laa rotación del árbol que posee un freno neumático para hacer variar la carga ; el agua serecupera en un canal en el cual se pueden efectuar las medidas de caudal y por último se transfiere aun depósito con el fin de reinyectarla en la bomba.

Figur 70 – Turbina Pelton acoplada al inyector[19]

88


Figur 71 – Esquema del dispositivo para caracterizar la turbina Pelton[19]

2.2.2.b - Medidas

La medida del caudal se realiza de dos formas distintas :

– Empleo de un tubo Venturi que proporciona una fórmula empíricas para un número de Reynoldselevado, entre la diferencia de presión ∆p medida con un manómetro de mercurio y con uncaudal :

Qv = 0.00915. 2!∆p(en.m3/s) (34)

– Empleo del canal con una formula empírica relacionando el caudal con la altura que cubre elagua en el canal

Qv = 0.534 ∗ h3/2 (35)

La medida de la altura de agua equivalente al nivel del inyector de la turbina Pelton se realiza pormedio de un manómetro diferencial.

Finalmente, la velocidad de rotación del árbol se realiza con un tacómetro cronométrico y su parmotor mediante multímetro dotado de un sensor tensiométrico.

2.2.2.c - Procedimiento experimental

Para caracterizar la turbina, se han medido los parámetros característicos de la turbina a diferentes"alturas de agua" Hm en el nivel del inyector ; es decir, se han medido el par, la velocidad de rotacióny el caudal ; estos valores obtenidos permiten calcular los números adimensionales relacionados conla turbina utilizando las fórmulas mencionadas anteriormente para poder acto seguido caracterizarcualquier tipo de turbina.

89


H.2.2.3 Resultados y análisis .

En primer lugar se han medido las características del conjunto bomba - turbina, es decir, la po-tencia mecánica recuperable para diferentes valores de potencia hidráulica a la entrada de la turbinay para diferentes modos de funcionamiento.

Los resultados experimentales (ver figura72) muestran la existencia de un máximo de potenciamecánica para un determinado valor de la velocidad de rotación wmax, que depende de la altura deagua, por tanto de la potencia hidráulica del chorro. Por otro lado, la velocidad de rotación aumentasegún la fórmula teórica de la potencia mecánica del árbol y, la existencia de un máximo, indica quehay una disminución del par con el aumento de la velocidad de rotación, sino la potencia a la sa-lida aumentaría continuadamente. En la figura 72 aparece claramente marcada la aparición de dichomáximo con independencia de la altura de columna de agua como demuestra el uso de parámetrosadimensionales.

Figur 72 – Gráfica que muestra la potencia de la turbina en función de la velocidad de rotación

Las curvas de la figura 73 para Hm=20m y Hm=30m se superponen. Lo mismo debería pasarpara 10m, no obstante, existe un pequeño decalage debido a la imprecisión en las medidas tomadas avelocidades pequeñas

Para comprender el decrecimiento del par al aumentar la velocidad de rotación es preciso un ra-zonamiento energético (Figura 73). Para cada experiencia realizada, la altura del agua, así como elcaudal del chorro han permanecido constantes, luego también se ha mantenido constante la potenciahidráulica de entrada. Aumentando la velocidad de rotación, la potencia mecánica tiene tendencia aaumentar, sin embargo, dicha tendencia está limitada pues no puede sobrepasar la potencia suminis-trada, al ser el rendimiento de la turbina inferior a la unidad. Esta limitación es una de las razonesque explica este fenómeno. Otra explicación radica en la geometría de la turbina y sus álabes queprovoca una caída del par en función de la velocidad al producirse un desfase entre el la velocidad deinyección del fluido y la de giro de los álabes. En cualquier caso, existe un punto concreto donde el

90


funcionamiento de la turbina es óptimo.

Figur 73 – Par reducido frente a la velocidad de rotación adimensional

La figura 74 permite la ilustración de dicho punto de funcionamiento óptimo mencionado en elpárrafo precedente para una velocidad adimensional N11max de 11,5 con independencia la altura delagua. Por consiguiente, en el caso de un problema de mecánica de fluidos donde el objetivo sea convertirla energía hidráulica en eléctrica, habrá que ubicarse en torno a dicho punto de funcionamiento con elfin de maximizar el rendimiento.

Figur 74 – Rendimiento frente a la velocidad reducida

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Un aumento del caudal adimensional genera un aumento de la potencia mecánica recuperable (verfigura75). El aumento del caudal entrante en el inyector hace que la potencia hidráulica sea mayor ypor lo tanto, que la potencia mecánica recuperada aumente, considerando el rendimiento constante.De este modo, se pueden hacer mejorar las especificaciones de la turbina jugando con el inyector y lapotencia suministrada.

Figur 75 – Rendimiento frente a la velocidad reducida

De estas medidas queda claro que las turbinas tienen una gran utilidad al permitir obtener energíaeléctrica a partir de la energía hidráulica ; Con las medidas realizadas se comprende muy bien elfuncionamiento de este dispositivo y cuales son los parámetros que juegan un papel más importante ala hora de maximizar el rendimiento energético.

92


H.2.3 Pérdidas de carga singulares


En este apartado se busca relacionar la diferencia de presión con la pérdida de carga sufrida porun fluido entre dos puntos A y B de un conducto. Según la definición de carga se puede escribir :

∆C =1

2ρ(ν2A − ν2B) + PA − PB (36)

Con :

– ∆C la pérdida de carga

– νA la velocidad del fluido en el punto A

– ρ la masa volumétrica del fluido

– PA la presión en el punto A

– νB la velocidad del fluido en el punto B

– PB la presión en el punto B

Suponiendo que el caudal está fijado, que se conoce la masa volumétrica del fluido así como la seccióndel conducto en los puntos A y B, entonces :

Dm = ρS ν = Constante (37)

Con :

– Dm el caudal másico

– S la sección del conducto

Introduciendo este resultado en la ecuación 36 se llega a la siguiente fórmula que relaciona pérdida decarga con la diferencia de presión y la sección en los puntos A y B :

∆C = PA − PB +1

2

Dm

ρ(1

S2A

− 1

S2B

) (38)

93


H.2.3.2 Presentación del dispositivo .

En esta parte del estudio se pretende cuantificar la pérdida de carga al paso de un fluido a travésde varios dispositivos. En este caso se estudiarán cinco : un tubo convergente, un tubo divergente, unVenturi, un diafragma y un codo.

El tubo en U de la figura 76 permite medir la diferencia de presión en milímetros de agua entre losdiferentes elementos del dispositivo. Por ejemplo,conectando el tubo entre los puntos E y F de la figura77, es posible medir la diferencia de presión causada por el diafragma y, en consecuencia, determinarla pérdida de carga si se conoce el caudal másico.

Figur 76 – Dispositivo empleado para medir las pérdidas de carga[20]

Figur 77 – Esquema de la estructura del dispositivo[20]

94


El caudal se puede medir mediante dos procedimientos :

– Un dispositivo de pesada : el agua llega a un depósito tras pasar por el circuito y se mide el tiempoque tarda el agua en hacer bascular un canjilón cuyo peso es conocido.Este método se adoptó enel proyecto cuando se localizó un fallo en el caudalímetro (solo que empleando directamente unabáscula).

– El rotámetro : se trata de un tubo vertical en el que circula el fluido y donde se encuentra unflotador, puesto en movimiento con el avance del fluido. Este flotador se equilibra en un puntodonde el arrastre engendrado por el fluido compensa su peso. El peso es invariante en el tubo, peroel arrastre varía con el diámetro. Por tanto, un calculo sobre la posición del flotador permitiríadeducir el caudal.

Con fines meramente experimentales, se realizó una curva de calibración del rotámetro. Los datostomados se representan en la figura 78.

Figur 78 – Caudal según la altura del rotámetro

De este modo se dispone de una ecuación que relaciona la altura del rotámetro y el caudal, lo quepermite la utilización de este dispositivo para medir el caudal, pues es más rápido que el método conpesos.

95



En la figura 79 se muestran las medidas de pérdida de carga en función del caudal másico para loscinco elementos mencionados con anterioridad.

Figur 79 – Pérdidas de carga en función del caudal másico

Como era de esperar, los elementos que mayor pérdida de carga provocan son el diafragma y elVenturi, hasta el extremo que pueden estimarse nulas las pérdidas asociadas a las toberas convergentey divergente, así como al codo (aunque en el banco vemos que un codo hace variar de 0,1 bares lapresión). Esta estimación simplifica en gran manera el estudio del sistema completo.

Adicionalmente, la identificación de los elementos que provocan mayor pérdida de carga, permiteanalizar con mente crítica la necesidad o no de incorporarlos al banco de ensayos, o eventualmentesustituirlos por otros que pudieran eliminar total o parcialmente la pérdida de carga asociada.

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H.2.4 Cierre de una válvula


El golpe de ariete es una de las principales causas de ruptura y avería en los conductos junto conel fenómeno de cavitación. Como indican las consignas de seguridad del banco de ensayos, se debeasegurar que no existe aire en la bomba a la hora de bombear para evitar la cavitación y, para evitarel golpe de ariete, las válvulas de ajuste deberán cerrarse lentamente evitando movimientos bruscos.El estudio del cierre y apertura de una válvula y sus posibles efectos sobre el circuito hidráulico en elque se encuentran se detalla en los apartados siguientes.

El conocido efecto del golpe de ariete es producido por la viscosidad y elasticidad del fluido pesea que a menudo éste se modelice como incompresible. Al cerrar bruscamente una válvula, se produceuna presión que pueda superar a la máxima que puede soportar el conducto provocando dos efectosque pueden llevar a la ruptura :

– La compresión del fluido (se reduce el volumen)

– La dilatación del conducto

En las instalaciones reales con el fin de evitar tales fenómenos se instalan chimeneas de equilibrio,consistentes en grandes depósitos abiertos a la atmósfera, que producen el efecto de amortiguar lasondas de compresión que atraviesan el conducto.

H.2.4.2 Objetivos de la experiencia .

El objetivo de esta experiencia es estudiar si el cierre de la válvula provocará daños o no en elsistema. En el dispositivo facilitado por el laboratorio H10 se pueden realizar dos experiencias, unacon un cierre rápido que permite observar por medio de un programa la forma de las ondas de presiónque se propagan a la velocidad del fluido ; la otra con un cierre lento que permite medir el caudal conel paso del tiempo en función de la presión. En el estudio de este trabajo, el interés radicará en estasegunda forma de cierre, el cierre lento, pues las válvulas del sistema empleado se cierran haciéndolasgirar manualmente y la resistencia que ofrece impide que el cierre sea rápido.

H.2.4.3 Presentación de la instalación .

La instalación es la que aparece en la figura 80. Dicha instalación está compuesta de los siguienteselementos :

– Alimentación : formada por dos depósitos, una bomba y una alimentación eléctrica

– Dos conductos de 3m asociados cada uno a una válvula ; uno para el cierre rápido y otro para ellento

– Dos medidores de presión

– La chimenea de equilibrio

97


Figur 80 – Instalación para el cierre de válvulas [21]

En el caso del cierre lento, se mide la altura de la columna de agua de la chimenea. Se abre la vávulay después se cierra y se mide la variación de altura entre la máxima y mínima y la estabilización y seobserva que se producen variaciones en la misma cuando se abre o cierra la válvula. Gracias a dichasmedidas se calcula el caudal de la columna así como la presión en los conductos.


Los problemas ocasionados por este tipo de cierre son menos importantes que en el cierre rápido,donde se provocan los mayores daños ; no obstante el estudio de ellos permite apreciar algunos efec-tos útiles para el sistema hidráulico global. En las instalaciones como la del laboratorio, a diferenciadel banco de ensayos construido, este tipo de fenómenos se controla por medio de una chimenea deequilibrio que permite el amortiguamiento de las ondas de sobrepresión. Para su estudio se observanlas diferencias de alturas en la chimenea (máxima y mínima) al cerrar la válvula así como el punto deestabilización, es decir, el punto donde la altura se mantiene constante tras un tiempo de espera desdeel cierre de la válvula.

Gracias a estas diferentes alturas se puede encontrar la velocidad del flujo y con ello el caudal asícomo la amplitud del cambio de presión en el conducto.

Vflujo = 2!2.g.Hestabilizacin (39)

Caudal = Vflujo.π.r2 (40)

Presion = ρ.g.∆H (41)

Las medidas tomadas se presentan en las gráficas de las figuras 81 y 82.

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Figur 81 – Caudal con el transcurso del tiempo

Figur 82 – Presión frente al caudal

Al igual que para un cierre rápido, la presión es mayor cuando aumenta el caudal(ver figura 82).En lo referente al periodo, vemos en la figura 81 que es independiente del caudal.

En el caso del banco de ensayos, los efectos de dicho cierre serán suficientemente bajos como parano tenerlos en cuenta. Por esta razón no se ha construido ninguna chimenea, no obstante, se preparáun protocolo de operación en el que se indicará cerrar lentamente las válvulas y no apagar la bombade golpe mientras no estén cerradas con el fin de prevenir posibles deterioros.

99

H.3 Síntesis del sistema hidráulico completo H ESTUDIO DE DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS

H.3 Síntesis del sistema hidráulico completoEn este apartado se pretende caracterizar un sistema real con el fin de anticipar sus especificaciones ;

dicho sistema (figura 83) está constituido por un depósito de una profundidad Hr=3m que alimentaa una turbina Pelton por medio de un conducto de Hm=20m ; el diámetro del conducto es de 20cmpara el sistema. Por medio del teorema de Bernoulli se encuentra la velocidad del fluido máxima :

Vmax = 2!2.g.Hr = 7, 7m/s (42)

Dado que esta velocidad máxima no se puede alcanzar en la realidad, debido a la pérdida develocidad en la entrada del conducto, se toma un valor intermedio entre 0 y Vmax :

V = 5m/s (43)

Entonces el caudal resulta :Qν = S.V = π.(0, 1)2.5 = 0, 16m3/s (44)

Con S el área de la sección del conducto.

Una vez conocido el caudal, se puede determinar la carga en entrada de la turbina Hturbina con elfin de posteriormente poder calcular la potencia hidráulica. La carga de la turbina se calcula mediante :

Hturbina = Hatm −∆H = Pa + ρ.g.(Hm +Hr)−1

2.ρ.

L

D.V 2.Ψ (45)

Con :

– Pa la presión atmosférica

– ρ la masa volumétrica

– g la aceleración de la gravedad

– L la londitud del tubo y D el diámetro

– el coeficiente de pérdida de carga obtenido gracias al diagrama de Moody del orden de 0.05SI

Como ya se ha visto anteriormente, el caudal y la carga de la turbina permiten determinar la potenciahidráulica según :

Phidraulica = Qν .Hturbina = 33.5KW (46)

Los valores obtenidos para un rendimiento máximo permiten conocer la velocidad de rotación y lapotencia eléctrica generada :

Nturbina = 600tr/min (47)

Pelectrica = 26.8kW (48)

Estos cálculos permiten ahora modelizar este sistema a escala reducida y dimensionar así la bombacon el fin de tener las mismas especificaciones energéticals al nivel de la turbina. Para ello se modelizacomo un sistema en serie bomba-turbina como está presentado en la figura 83, pues se consideran laspérdidas de un caudalímetro y manómetro compensadas por el Venturi que se ubica para determinarla velocidad del flujo.

Se utiliza un modelo de bomba-turbina en serie como el indicado en la figura 83 y utilizado en loscálculos anteriores ; no se tienen en cuenta a priori las pérdidas de carga producidas por un caudalímetroy un manómetro que se incorporarán al sistema a montar, pues se consideran despreciables frente alas ocasionadas por un Venturi según el apartado de pérdidas de carga.

100

H.3 Síntesis del sistema hidráulico completo H ESTUDIO DE DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS

Figur 83 – Presentación del sistema teórico

Se fija el caudal másico a :Qm = 0.3kg/s (49)

Según las medidas tomadas en el apartado sobre las pérdidas de carga se tiene que las del Venturi sonHν=0.071m, y las pérdidas primarias resultantes son :

Hp = 1.84.10−5m (50)

Que dado su bajo valor no serán consideradas en los cálculos a continuación.Como se ha estudiado en la parte sobre la bomba, existe un factor de Brauer de 24 para el cual el

rendimiento es óptimo. Por lo que se puede aplicar la fórmula :

24.H3/4bomba = Nm.Q1/2

m .− con−Hbomba = Hturbina +Hν (51)

Siendo Nm la velocidad de rotación del árbol y Hbomba la carga en metros de columna de agua a lasalida de la bomba, Dando lugar a Nm=2336 tr/min. De este modo el punto de funcionamiento haquedado definido y es posible por medio de dicha modelización estudiar las especificaciones energéticassobre el sistema reducido.

A modo de conclusión de este trabajo realizado en anexo, el apéndice H que es meramente teórico,permitió en primer lugar facilitar el conocimiento de los diversos elementos hidráulicos a utilizar enel montaje de un banco de ensayos que es el objetivo principal ; permitió así mismo anticipar posiblesproblemas de funcionamiento al operar con el mencionado banco de ensayos y, por último, ha per-mitido determinar el orden de magnitud de los parámetros que intervienen e identificar las etapas aimplementar para modelizar el sistema completo.

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