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Universidad De San Carlos De Guatemala.

Facultad de Ingeniería.

Escuela De Ingeniería Mecánica.

Área Complementaria.

Máquinas Hidráulicas.

Catedrático: Ing. José Ismael Véliz Padilla.

Índice

PRÁCTICA No. 1 – AFORO DE BOMBAS HIDRÁULICAS ............................................ 2

MARCO TEÓRICO............................................................................................................... 2

CONCEPTO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS ........................................................... 2

MÉTODOS DE AFORO PARA BOMBAS HIDRÁULICAS ......................................... 2

AFORO VOLUMÉTRICO ........................................................................................... 2

MÉTODO DE ÁREA – VELOCIDAD PARA MEDIR EL GASTO ............................... 3

AFORO DE BOMBAS CUANDO SE TIENEN CHORROS VERTICALES ................... 4

AFORO POR COORDENADAS DEL CHORRO. ..................................................... 5

EQUIPO DE BOMBEO .............................................................................................. 6

BOMBA HORIZONTAL .............................................................................................. 6

BOMBA SUMERGIBLE ............................................................................................... 7

AFORO POR COORDENADAS ............................................................................... 8

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA ........................................................................................ 8

EQUIPO ..................................................................................................................... 9

DATOS DE LABORATORIO ...................................................................................... 9

CÁLCULOS .......................................................................................................................... 9

Cálculos Bomba Horizontal ................................................................................... 9

Cálculos Bomba Sumergible .............................................................................. 10

PRÁCTICA No. 2 – TURBINAS, PANELES SOLARES Y ARIETE HIDRÁULICO ............. 11

MARCO TEÓRICO............................................................................................................. 11

TURBINAS HIDRÁULICAS ........................................................................................ 11

Tipos de turbina que se utilizan en Guatemala ............................................... 12

Energía renovable ................................................................................................ 13

2

Generadores Eléctricos ....................................................................................... 13

Ariete hidráulico .................................................................................................... 13

Inclusor de aire ...................................................................................................... 14

Energía Eólica ........................................................................................................ 16

ENERGÍA SOLAR..................................................................................................... 18

CÁLCULOS ........................................................................................................................ 21

DATOS INVESTIGADOS: ......................................................................................... 21

DATOS DADOS EN EL LABORATORIO: ................................................................ 21

CALCULOS (trabajados en tabla resumen, con fórmulas de cálculo):....... 21

PRÁCTICA No. 1 – AFORO DE BOMBAS HIDRÁULICAS

MARCO TEÓRICO

CONCEPTO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Una máquina hidráulica es una variedad de máquina de fluido que

emplea para su funcionamiento las propiedades de un fluido incompresible o

que se comporta como tal, debido a que su densidad en el interior del

sistema no sufre variaciones importantes. Convencionalmente se especifica

para los gases un límite de 100 mbar para el cambio de presión; de modo

que si éste es inferior, la máquina puede considerarse hidráulica. Dentro de

las máquinas hidráulicas el fluido experimenta un proceso adiabático, es

decir no existe intercambio de calor con el entorno.

MÉTODOS DE AFORO PARA BOMBAS HIDRÁULICAS

El objetivo de realizar estas pruebas es llegar a conocer

adecuadamente el funcionamiento de los pozos y del acuífero con el fin de

explotar a este último adecuadamente. Cada una de ellas tiene una

finalidad y se puede obtener datos acerca de las características hidráulicas

del funcionamiento de los pozos y del acuífero que explotan.

Existen varias pruebas de aforo, ellas dependen del tiempo que se

utilice para realizarla; una de ellas es mínimo de 24 horas y el agua debe caer

libre sin tope, o sea que la descarga es libre, hay pruebas largas de 96 horas y

pruebas escalonadas aplicadas en periodos de tiempo con diferentes

caudales para probar el nivel estático.

AFORO VOLUMÉTRICO

El método consiste en tomar el tiempo que demora en llenarse un

recipiente de volumen conocido. Posteriormente se divide el volumen en litros

entre el tiempo promedio en segundos, obteniéndose el caudal en lt/s. Este

método se aplica cuando la corriente o vertimiento presenta una caída de

3

agua en la cual se pueda interponer un recipiente; se requiere un

cronómetro y un recipiente aforado (balde de 10 o 20 litros con graduaciones

de 1 L, o caneca de 55 galones con graduaciones de 1 a 5 galones). Se

utiliza un balde para caudales bajos o una caneca cuando se deban

manejar grandes caudales.

El recipiente debe ser colocado bajo la corriente o vertimiento de tal

manera que reciba todo el flujo; simultáneamente se activa el cronómetro.

Este proceso inicia en el preciso instante en que el recipiente se introduce a

la corriente o vertimiento y se detiene en el momento en que se retira de ella.

Se toma un volumen de muestra cualquiera dependiendo de la velocidad

de llenado y se mide el tiempo transcurrido desde que se introduce a la

corriente o vertimiento hasta que se retira de ella. El caudal se calcula de la

siguiente manera: 𝑄 = 𝑉 / 𝑡

Donde:

Q = Caudal en litros por segundo, L/s

V = Volumen en litros, L

T = Tiempo en segundos, s

Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre

y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue

todo el volumen de agua que sale por la corriente o vertimiento; se debe

evitar la pérdida de muestra en el momento de aforar, así como

represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas. Este

método es de fácil utilización en el caso que el suelo donde se disponga la

caneca sea firme y no permite que esta se hunda o se mueva. Dentro de los

principales problemas que se pueden presentar es la manipulación de las

canecas por su peso exagerado.

MÉTODO DE ÁREA – VELOCIDAD PARA MEDIR EL GASTO

En este método se utiliza el principio de continuidad a través de la

ecuación para flujo incompresible Q= A x V. El área perpendicular al flujo es

sencilla de obtener en un conducto circular a presión, midiendo su diámetro,

4

d, y calculando con:

𝐴 =𝜋

4∅2

En cambio, en conductos a superficie libre el cálculo del área es

complicado, puesto que depende de la forma geométrica el conducto y de

la superficie libre del agua, que en el caso de corrientes naturales es

totalmente irregular. Para el caso de secciones geométricas sencillas

utilizadas en canales, como el rectángulo o el trapecio, las fórmulas que

determinan el valor del área transversal se simplifican bastante.

Las fórmulas para calcular el área transversal de secciones en canales

regulares son sencillas:

En las fórmulas anteriores A es el área hidráulica; b es el ancho de la parte

inferior del canal (normalmente llamada lantilla); es la profundidad (también

llamada tirante); y k es el talud de las paredes del canal. Por su parte, la

velocidad media V, del escurrimiento de agua se mide con algunos de los

dispositivos siguientes:

Flotador y reloj,

Molinetes,

Propelas,

Tubos Pitot,

Aparatos ultrasónicos y,

Equipos electromagnéticos.

AFORO DE BOMBAS CUANDO SE TIENEN CHORROS VERTICALES

Si la corriente se puede desviar hacia una tubería de manera que

descargue sometida a presión, el caudal se puede calcular a partir de

mediciones del chorro. Si la tubería se puede colocar de manera que la

descarga se efectúe verticalmente hacia arriba, la altura que alcanza el

chorro por encima del extremo de la tubería se puede medir y el caudal se

calcula a partir de una fórmula adecuada. Es asimismo posible efectuar

estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde

tuberías horizontales o en pendiente y desde tuberías parcialmente llenas,

pero los resultados son en este caso menos confiables.

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Q en metros cúbicos por segundo; D y H en metros.

Si H < 0,4 D utilícese la ecuación (1)

Si H > 1,4 D utilícese la ecuación (2)

Si 0,4D < H < 1,4D calcúlense ambas ecuaciones y tómese la media.

AFORO POR COORDENADAS DEL CHORRO.

Para aplicar este método es necesario que la tubería de descarga esté

perfectamente horizontal y construir una regla como la que se muestra en el

esquema.

La característica de esta regla es que uno de sus lados debe medir 25

cm., mientras que por el otro lado se traza una escala en cm. para facilitar las

lecturas. La medición se realiza desplazando la regla por la parte superior del

tubo hasta que la parte inferior roce el chorro de agua que sale del tubo. En

ese momento se lee en el lado que está sobre el tubo la distancia que

alcanza el chorro y conociendo el diámetro del tubo mediante la tabla se

determina el caudal.

Tabla de caudales para el método de coordenadas

6

EQUIPO DE BOMBEO

Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía

mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la

convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición

o de velocidad.

Así tendremos bombas que se utilizan para cambiar la posición de un

cierto fluido. Existen bombas trabajando con presiones y alturas iguales que

únicamente adicionan energía de velocidad. Sin embargo, a este respecto,

hay muchas confusiones en los términos presión y velocidad, por la acepción

que llevan implícita de las expresiones fuerza tiempo. En la mayoría de las

aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres,

las cuales se comportan de acuerdo con las ecuaciones fundamentales de

la Mecánica de Fluidos.

BOMBA HORIZONTAL

7

La disposición del eje de giro

horizontal presupone que la bomba y el

motor se hallan a la misma altura; éste

tipo de bombas se utiliza para

funcionamiento en seco, exterior al

líquido bombeado que llega a la bomba

por medio de una tubería de aspiración.

Las bombas centrífugas, sin

embargo, no deben rodar en seco, ya

que necesitan del líquido bombeado

como lubricante entre los aros de roce, el

impulsor, y entre empaquetadura y eje.

Como no son auto-aspirantes

requieren, antes de su puesta en marcha para cebar la tubería. Esto no es

fácil de conseguir si la bomba trabaja por encima del nivel del líquido, que es

el caso más corriente con bombas horizontales, siendo a menudo, requerir de

válvulas de pie, (aspiración), y los distintos sistemas de cebado.

Como ventajas específicas se puede decir que las bombas

horizontales, (excepto para grandes tamaños), son de construcción más

barata que las verticales y, especialmente, su mantenimiento y conservación

es mucho más sencillo y económico. El desmontaje de la bomba se suele

hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cámara

partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiración e impulsión.

BOMBA SUMERGIBLE

Una bomba sumergible es una “bomba” que tiene un impulsor sellado

a la carcasa. El conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de

este tipo de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevación

significativa pues no depende de la presión de aire externa para hacer

ascender el líquido.

Las bombas sumergibles también se utilizan en depósitos de

combustible. Aumentando la presión en el fondo del depósito, se puede

elevar el líquido más fácilmente que aspirándolo (succión) desde arriba. Los

modelos más avanzados incluyen un separador de agua/aceite que permite

reinyectar el en el yacimiento sin necesidad de subirla a la superficie.

Las bombas sumergibles encuentran muchas utilidades, las bombas de

etapa simple se utilizan para el drenaje, el bombeo de aguas residuales, el

bombeo industrial general y el bombeo de la mezcla. Las bombas

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sumergibles se colocan habitualmente en la parte inferior de los depósitos de

combustible y también se utilizan para la extracción de agua de pozos de

agua.

AFORO POR COORDENADAS

Es posible hacer el cálculo aproximados del caudal que es descargado

libremente por una tubería, midiendo las longitudes en las direcciones X, Y del

chorro.

𝑄 = 0.0221 ∗𝐴 ∗ 𝑥

√𝑦

Q = Caudal en Litros /seg.

Factor de conversión=0.0221

A = Área Hidráulica en cm2

X = Valor de Abcisa en cm.

Y = Valor de la ordenada en cm.

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA Revisar el equipo a trabajar, verificando la cantidad de agua en el

tanque de succión

Medir 5 veces el tiempo que le toma llenar la cubeta.

Para el siguiente método hay que medir la altura en “y” a la cual se

encuentra el líquido, es decir, la altura donde está la tubería. Para la

coordenada en “x” se debe dejar correr el agua y observar hasta

donde llega la misma.

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EQUIPO

Cinta Métrica Cubeta de aforo Cronometro

DATOS DE LABORATORIO

Volumen para los dos aforos 5 gal

CÁLCULOS

Cálculos Bomba Horizontal

1. AFORO VOLUMÉTRICO

Para el cálculo del caudal se procede a realizar lo siguiente:

Promediar tiempos:

𝐵𝑂𝑀𝐵𝐴 1 = 61 + 60.06 + 61

3= 60.7 𝑠𝑒𝑔

𝐵𝑂𝑀𝐵𝐴 2 =39 + 39 + 38

3= 38.7 𝑠𝑒𝑔

Conversión del volumen del agua:

𝑉 = 5 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 ∗3.785 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

1 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛= 18.925 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Aplicar ecuación de aforo volumétrico:

𝑄 =𝑉

𝑡

𝑄1 =18.925 𝑙𝑡

60.7 𝑠𝑒𝑔 = 𝟎. 𝟑𝟏𝟐

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈 𝑄2 =

18.925 𝑙𝑡

38.7 𝑠𝑒𝑔 = 𝟎. 𝟒𝟖𝟗

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

2. POR COORDENADAS X, Y

BOMBA 1 BOMBA 2 X Y X Y

1 61 39

2 60.06 39

3 61 38

ALTURA BROTE = 6 CM, POT = 0.5 HP, Ø = 3/4

TIEMPOS [SEG]

BOMBAS HORIZONTALES

REPETI

CION

ES

BOMBA 2BOMBA 1

22 50 45 101

COORDENADAS

X Y

10 131.5 100.5

ALTURA BROTE = 62 CM,

POT = 0.5 HP, Ø = 3/4

COORDENADAS

BOMBA SUMERGIBLE

TIEMPOS

[SEG]

10

BOMBA 1 X=22 cm Y=50 cm

BOMBA 2 X=45 cm Y=101 cm

Conversión para determinar el área de la tubería:

𝜙 =3

4𝑝𝑢𝑙 ∗

2.54 𝑐𝑚

1 𝑝𝑢𝑙= 1.905 𝑐𝑚

Aplicar ecuación para determinar el área

𝐴 =𝜋

4∗ 𝑑2 =

𝜋

4∗ (1.905)2 = 2.85 𝑐𝑚2

Aplicar ecuación por coordenadas para determinar el caudal:

𝑄 = 0.0221 ∗𝐴 ∗ 𝑥

√𝑦

𝐵𝑂𝑀𝐵𝐴1 𝑄 = 0.0221 ∗2.85 ∗ 22

√50= 𝟎. 𝟏𝟗𝟔

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

𝐵𝑂𝑀𝐵𝐴2 𝑄 = 0.0221 ∗2.85 ∗ 45

√101= 𝟎. 𝟐𝟖𝟐

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

3. POR FÓRMULA 𝑄 = 5.47 𝐷1.25 ∗ 𝐻 1.35 ( 𝐼 )

𝑄 = 3.15 𝐷1.99 ∗ 𝐻 0.53 ( 𝐼𝐼 ) 𝐻 < 0.4 𝐷 𝑢𝑠𝑎𝑟( 𝐼 )

𝑯 > 1.4 𝐷 𝑢𝑠𝑎𝑟 ( 𝐼𝐼 )

H=0.06m; D=0.01905m

Determinación de ecuación a utilizar 0.4 𝐷 = 0.4(0.01905) = 0.00762 1.4 𝐷 = 1.4(0.01905) = 0.0267

Por lo tanto la ecuación a utilizar es la II

Cálculo de Q

𝑄 = 3.15 (0.01905)1.99 ∗ 0.06 0.53 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟐𝟔𝟕𝟕𝟒𝟓𝒎𝟑

𝒔𝒆𝒈= 𝟎. 𝟐𝟔𝟖

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

Cálculos Bomba Sumergible

4. AFORO VOLUMÉTRICO

Para el cálculo del caudal se procede a realizar lo siguiente:

Promediar tiempos: Debido a que es tiempo directo, no se hace

promedio

Hacer conversión del volumen del agua:

𝑉 = 5 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 ∗3.785 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

1 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛= 18.925 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Aplicar ecuación de aforo volumétrico:

𝑄 =𝑉

𝑡=

18.925

10 𝑠𝑒𝑔 = 𝟏. 𝟖𝟗𝟑

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

5. POR COORDENADAS X, Y

X=131.5 cm Y=100.5 cm

Hacer conversión para determinar el área de la tubería:

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𝜙 =3

4𝑝𝑢𝑙 ∗

2.54 𝑐𝑚

1 𝑝𝑢𝑙= 1.905 𝑐𝑚

Aplicar ecuación para determinar el área

𝐴 =𝜋

4∗ 𝑑2 =

𝜋

4∗ (1.905)2 = 2.85 𝑐𝑚2

Aplicar ecuación por coordenadas para determinar el caudal:

𝑄 = 0.0221 ∗𝐴 ∗ 𝑥

√𝑦

𝑄 = 0.0221 ∗2.85 ∗ 131.5

√100.5= 𝟎. 𝟖𝟐𝟑

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

6. POR FÓRMULA 𝑄 = 5.47 𝐷1.25 ∗ 𝐻 1.35 ( 𝐼 )

𝑄 = 3.15 𝐷1.99 ∗ 𝐻 0.53 ( 𝐼𝐼 ) 𝐻 < 0.4 𝐷 𝑢𝑠𝑎𝑟( 𝐼 )

𝑯 > 1.4 𝐷 𝑢𝑠𝑎𝑟 ( 𝐼𝐼 )

H=0.62m; D=0.01905m

Determinación de ecuación a utilizar 0.4 𝐷 = 0.4(0.01905) = 0.00762 1.4 𝐷 = 1.4(0.01905) = 0.0267

Por lo tanto la ecuación a utilizar es la II

Cálculo de Q

𝑄 = 3.15 (0.01905)1.99 ∗ 0.62 0.53 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟗𝟐𝟑𝟏𝟒𝟑𝒎𝟑

𝒔𝒆𝒈= 𝟎. 𝟗𝟐𝟑

𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔

𝒔𝒆𝒈

CONCLUSIONES:

Se llega a la conclusión, que la bomba horizontal 2 es más eficiente y

permite conducir más caudal que la bomba horizontal 1.

Entre las bombas horizontales y la bomba sumergible, la más eficiente

es la bomba sumergible ya que puede transportar mayor caudal que

las horizontales.

PRÁCTICA No. 2 – TURBINAS, PANELES SOLARES Y ARIETE

HIDRÁULICO

MARCO TEÓRICO

TURBINAS HIDRÁULICAS

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad

considerable a través de su paso por el rodete o por el estator; éstas son

generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se

pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o

aerogeneradores.

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Dentro de este género suele hablarse de:

Turbinas de acción:

Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a

través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en

la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz,

manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es

que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la

Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número

específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se

denomina inyector.

Turbinas de reacción:

Son aquellas en el que el fluido sufre un cambio de presión

considerable en su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una

presión superior a la atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión.

Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida

del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir

atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de

álabes fijos (Francis->Flujo diagonal; Hélice->Flujo axial) y turbinas con álabes

orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo de álabes

orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.

El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a

mayor salto es: kaplan-francis-pelton El número específico de revoluciones es

un número común para todas las turbinas/bombas geométricamente

semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el

número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de

la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de que se dé

en ella el fenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o una

Pelton.

Tipos de turbina que se utilizan en Guatemala

Las turbinas son el corazón de las centrales hidroeléctricas y, depende

de su diseño, pueden aprovechar al máximo el caudal de ríos, tomas de

agua o presas para la generación de electricidad.

Las turbinas hidráulicas son un elemento muy importante en la

composición de una central generadora, miden hasta tres metros de alto,

pesan muchas toneladas y hay una empresa en Guatemala que las fabrica.

Tecno Mecánica elabora tres tipos de turbinas hidráulicas: la rueda Pelton, la

turbina Francis y la de hélice o turbina Kaplan.

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Energía renovable

Las energías renovables son aquellas energías que provienen de

recursos naturales que no se agotan y a los que se puede recurrir de manera

permanente. Su impacto ambiental es nulo en la emisión de gases de efecto

invernadero como el CO2. Se consideran energías renovables la energía

solar, la eólica, la geotérmica, la hidráulica y la eléctrica. También pueden

incluirse en este grupo la biomasa y la energía mareomotriz. En esta sección

no sólo encontrarás información sobre energías renovables, sino también

noticias, actualidad y curiosidades.

Generadores Eléctricos

El proceso de generación de energía eléctrica es el de transformación

a partir de generadores. Y para que haya una transformación, debe haber

una fuente que se tome como base para realizar el cambio. Dicha fuente es

toda energía que sea considerada como no eléctrica. En este grupo entran

las siguientes energías: térmica, mecánica, luminosa y química, entre otras.

Este cambio en la energía se lleva a cabo en inmediaciones

apropiadamente denominadas centrales eléctricas, las cuales realizan tan

solo los primeros pasos del proceso. Los siguientes se corresponden ya al

suministro de la energía que ha sido generada, es decir, todos los pormenores

del transporte y la distribución.

Ariete hidráulico

El ariete hidráulico, es un tipo de bomba de agua que funciona

aprovechando la energía hidráulica, sin requerir otra energía externa.

Mediante un ariete hidráulico, se puede conseguir elevar parte del agua de

un arroyo o acequia a una altura superior. También se puede emplear para

riego por aspersión. El ariete hidráulico es un sistema de construcción sencilla

y su rendimiento energético es de cerca del 70%.

Funcionamiento

El funcionamiento del dispositivo es bastante simple y de fácil manejo.

El agua se acelera a lo largo del conducto hasta alcanzar una

determinada velocidad que hace que se cierre la válvula A;

entonces se crea una fuerte presión, ejercida por el agua que se

encuentra en movimiento y es detenida de golpe;

así permite la apertura de la válvula B y pasa agua al depósito, hasta

que se equilibran las presiones;

Se abre la válvula A y el ciclo se repite una y otra vez.

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Esquema de funcionamiento de una bomba de agua tipo ariete hidráulico.

El agua pasa a golpes de ariete al depósito, pero sale de este con

continuidad ya que el ariete funciona de uno a dos ciclos por segundo. La

cámara de aire del depósito es fundamental para su funcionamiento. Para

asegurar la permanencia de esta cámara de aire se usa el inclusor de aire

que incorpora unas pocas burbujas en cada ciclo.

Inclusor de aire

El inclusor de aire es un pequeño orificio de 1,5 a 2 mm de diámetro,

con un alambre de cobre que pasa por él con cierta holgura, para permitirle

a la cámara de aire tomar alguna burbuja en cada golpe de ariete y

mantener la presión en la cámara de aire.

Por supuesto, también saldrá una pequeña cantidad de agua en cada

golpe de ariete. Pero si no hay cámara de aire que actúe como

amortiguadora del golpe de ariete, este mismo rompería el dispositivo y

dejaría de funcionar.

Otros requerimientos

Para que el ariete hidráulico funcione se necesitan dos cosas:

Agua en cantidad suficiente para impulsarlo

Suficiente desnivel de trabajo (el mínimo es 20 cm).

El agua puede proceder de un manantial, arroyo o río y debe ser

conducido al ariete hidráulico mediante un conducto (hierro galvanizado,

PVC, PPP, etc.), cuyo diámetro dependerá del caudal utilizado. La inclinación

del tubo debe ser de unos 30° por debajo de la horizontal para un

funcionamiento adecuado, aunque podría hacerlo con ángulos menores. El

ariete hidráulico funciona entre 60 y 90 golpes por minuto y cuanto más lento

sea el funcionamiento, más agua utiliza y bombea. Para que funcione el

ariete hidráulico se necesita un salto de agua que varíe entre 0,20 a 30 m.

Cuando el salto de agua sea mayor, el ariete hidráulico va a ser más

pequeño y económico y menos cantidad de agua va a requerir para elevar

otra cantidad de agua.

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Con abundante agua y un desnivel de 1,2 m puede llegar a elevarse el

agua a 200 m de altura.

Tabla 1: Diámetro recomendado en función del caudal de agua disponible.

Caudal de

alimentación

del ariete - Q

litros/

min 30 60 90 120

25

0

50

0

100

0

Diámetro

recomendable

del tubo

alimentación

pulg

adas

1

1/4

1

1/2 2

2

1/2 3 5 8

mm 35 41 52 70 80 12

5 200

Dimensionamiento

Las diferentes variables que participan en el funcionamiento del ariete

hidráulico, se relacionan de la siguiente forma: Caudal elevado = (2. 𝑄. ℎ)/(3. 𝐻) (en litros/minuto)

dónde:

Q : es el caudal de alimentación en litros por minuto

h : desnivel de trabajo en metros

H : altura de elevación en metros

Esquema de bomba de agua tipo ariete hidráulico.

Ajustes

El ajuste adecuado se logra mediante el tornillo tensor de la pletina

resorte y el de la carrera hasta regular el caudal requerido de trabajo. El

único mantenimiento consiste en retirar las hojas u otro material del filtro en la

toma de agua y las gomas de las válvulas cuando se gasten o deterioren.

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Rendimiento (R)

El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua

que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y

varía en función del cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el

rendimiento disminuye. En la tabla siguiente puede verse cómo varía el

rendimiento energético.

H/h= 2 3 4 6 8 10 12

R= 0.85 0.81 0.76 0.67 0.57 0.43 0.23

La altura de elevación (H)

Como puede deducirse de la tabla anterior, a partir de 12 veces la

altura (h), el rendimiento de los arietes disminuye en gran medida. Este

detalle no nos ha de desalentar. Aunque sólo subamos a gran altura un 1%

del agua que pasa por nuestro ariete, este funciona las 8.760 horas del año, y

sin combustible.

El caudal elevado (q)

Depende del rendimiento (R), el caudal de alimentación (Q), el

desnivel de trabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se

relacionan es la siguiente: 𝑞 = 𝑅 ∗ 𝑄 ∗ ℎ / 𝐻

Por ejemplo: Q (Caudal de alimentación) = 100 litros/minuto

h (desnivel de trabajo) = 3 metros

H (Altura de elevación) = 24 metros

La relación H/h = 8, luego el rendimiento del ariete en estas condiciones

equivale al 57% (0’57).

El caudal elevado q = 0,57 · 100 · 3 / 24 = 7,125 litros/minuto = 10260 l/día.

Energía Eólica

La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía

cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida

en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. En la

actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir

electricidad mediante aerogeneradores, conectados a las grandes redes de

distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra

suponen una fuente de energía cada vez más barata, competitiva o incluso

más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía

convencionales.

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Pequeñas instalaciones eólicas pueden, por ejemplo, proporcionar

electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red

eléctrica, al igual que hace la energía solar fotovoltaica. Las compañías

eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el exceso de

electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El

auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y

construcción de parques eólicos marinos, situados cerca de las costas. La

energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los

parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costes de

construcción y mantenimiento de estos parques son considerablemente

mayores.

A finales de 2013, la capacidad mundial instalada de energía eólica

fue de 318 gigavatios. En 2011 la eólica generó alrededor del 3% del

consumo de electricidad mundial. Dinamarca genera más de un 25% de su

electricidad mediante energía eólica, y más de 80 países en todo el mundo

la utilizan de forma creciente para proporcionar energía eléctrica en sus

redes de distribución,6 aumentando su capacidad anualmente con tasas por

encima del 20%. En España la energía eólica produjo un 21,1% del consumo

eléctrico en 2013, convirtiéndose en la tecnología con mayor contribución a

la cobertura de la demanda, por encima incluso de la energía nuclear. La

energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a

disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes

de energía a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de

energía verde. El impacto ambiental de este tipo de energía es además,

generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía.

La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual,

aunque presenta significativas variaciones a escalas de tiempo menores. Al

incrementarse la proporción de energía eólica producida en una

determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de

mejoras en la red eléctrica local. Diversas técnicas de control energético,

18

como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una

distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de

fuentes de energía de respaldo, la posibilidad de exportar o importar energía

a regiones vecinas o la reducción de la demanda cuando la producción

eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos

problemas.10 Adicionalmente, la predicción meteorológica permite a los

gestores de la red eléctrica estar preparados frente a las previsibles

variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo.

¿QUÉ FUERZA TIENE QUE TENER EL VIENTO PARA ACCIONAR LOS

AEROGENERADORES?

Los aerogeneradores empiezan a funcionar cuando el viento alcanza una

velocidad de 3 a 4 metros por segundo, y llega a la máxima producción de

electricidad con un viento de unos 13 a 14 metros por segundo. Si el viento es

muy fuerte, por ejemplo de 25 metros por segundo como velocidad media

durante 10 minutos, los aerogeneradores se paran por cuestiones de

seguridad.

ENERGÍA SOLAR

PANELES SOLARES

Los paneles solares son dispositivos diseñados para captar parte de la

radiación solar y convertirla en energía solar térmica y a los paneles

fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante energía solar

fotovoltaica, para que pueda ser utilizada por el hombre.

Pueden distinguirse dos tipos de paneles solares:

Paneles de energía solar térmica

Llamados colectores solares térmicos, convierten la luz en calor. Existen

dos tipos de paneles solares térmicos: los colectores de agua y los de aire.

En los colectores de agua, el agua circula por los tubos provistos de aletas.

Para obtener un mejor rendimiento, el conjunto se coloca en una caja de

vidrio aislante ya que con esto se logra un efecto invernadero. Con buen sol,

y si las necesidades de agua caliente son moderadas, una red simple puede

ser suficiente. Las aletas, que forman lo que es llamado el absorbente, son

calentadas por la radiación solar y transmiten su calor al agua que circula

por los tubos. Los colectores de agua son utilizados para la calefacción y/o

para producir agua caliente sanitaria.

En los colectores de aire, es el aire el que circula y se calienta en

contacto con los absorbentes. El aire así caliente es después ventilado en los

ambientes de calefacción o utilizado en los cobertizos para el secado de los

productos agrícolas.

Paneles solares fotovoltaicos

19

Llamados módulos fotovoltaicos, convierten la luz en electricidad. En

ambos casos, los paneles son generalmente planos, con varios metros de

anchura y de longitud. Están diseñados para facilitar su instalación y su precio

se fija de manera que puedan ser utilizados tanto para aplicaciones

domésticas como industriales.

Uso de la energía solar fotovoltaica

Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en

el medio más fiable de suministrar energía eléctrica a un satélite o a

una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor

irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su alta relación

potencia a peso.

ALGUNAS DEMOSTRACIONES Y ESPECIFICACIONES DE PANELES SOLARES

Para la fabricación de paneles solares fotovoltaicos se emplea

tecnología muy avanzada y compleja. Sin bien está al alcance de muchos

fabricantes la producción de colectores solares térmicos con un grado de

eficacia aceptable, no ocurre lo mismo con los paneles solares fotovoltaicos,

donde muy pocas compañías en el mundo cuentan con la capacidad y los

recursos técnicos necesarios para producirlos. El funcionamiento de los

paneles se basa en el efecto fotovoltaico. Este efecto se produce cuando

20

sobre materiales semiconductores convenientemente tratados incide la

radiación solar produciéndose electricidad.

ECUACIÓN DE COOPER

La ecuación de Cooper es utilizada para determinar la declinación

solar, que no es más que el ángulo formado por los rayos que proceden del

Sol y el plano ecuatorial. Dicha ecuación está dada de la siguiente forma:

𝑑 = 23.45𝑠𝑒𝑛(360

365(284 + 𝑛))

D: Declinación en grados

N: día del año

POTENCIAL

La potencia que puede alcanzar un panel solar y la potencia que

entrega son dos temas diferentes. Si un determinado panel está calificado

como de 180 vatios, entonces rendirá hasta ese nivel en la luz solar más

brillantes (1000 vatios por metro cuadrado). Sin embargo, a no ser que vivas

en el ecuador, tu panel solar no recibirá esa cantidad de luz solar. La

cantidad de luz solar que alcanza la tierra en tu región (llamada "insolación"

se promedia en vatios por metro cuadrado) dividida en el brillo de la luz solar

estándar de la industria (1000 vatios por metro cuadrado) te dará la fracción

de la potencia producirá tu panel.

Un método más simple es encontrar el número de "horas pico de sol"

que recibe tu zona en cada día. Cualquier vendedor respetable tendrá esta

información. Una hora pico de sol es una hora de 1000 vatios por metro

cuadrado de luz solar. La mayoría de las zonas de Estados Unidos reciben

menos de seis horas pico de sol por día. Puedes predecir cuánta potencia

puede generar determinado panel solar multiplicando el rango de vatios de

un panel solar por la cantidad de horas pico de sol para tu zona. Nota que

las horas de sol variarán con las estaciones y que durante el invierno son

menores.

21

CÁLCULOS

DATOS INVESTIGADOS:

- Latitud del Territorio Guatemalteco: 13 grados Sexagesimales Norte

- Tamaño del Panel Solar a Utilizar: 140Wp (Wp= Vatio Pico)

- Dimensiones del Panel Solar: 1500x672x36 mm

- Voltaje a Máxima potencia: 17.6 V

- Corriente Máxima: 7.9 A

- Peso: 12 kg

- Batería: 100 Ah (capacidad nominal) con capacidad de 100 hrs.

DATOS DADOS EN EL LABORATORIO:

Total de Wh por el tiempo de consumo diario es = 1556 Wh

CALCULOS (trabajados en tabla resumen, con fórmulas de cálculo):

HABITACION CANTIDAD# BOMBILLAS /

HABITACION

# HORAS DE

CONSUMO /

DÍA

WATTS POR

BOMBILLA

CANTIDAD

TOTAL DE

W - H

DORMITORIO 4 1 4 11 176

COCINA 1 1 4 11 44

LAVANDERIA 1 1 1 11 11

SALA 1 1 4 11 44

GARAGE 1 1 2 11 22

297TOTAL Wh PARA HABITACIONES

ACCESORIO CANTIDAD

# HORAS DE

CONSUMO

POR DÍA

WATTS POR

ACCESORIO

CANTIDAD

TOTAL DE

W - H

TV (Color) 1 5 60 300

REFRIGERADOR 1 8 98 784

LICUADORA 1 0.5 350 175

1259TOTAL Wh PARA ACCESORIOS

Consumo Diário 1,556.0 Watts-hora

Equivalente de Ah x Día 129.7 Ah

Latitud 13 grados

Potencia Requerida en Paneles 333.1 Watts

Tamaño del Panel 140.0 Watts

Cantidad de Paneles 3.0 Unidades

Días de Autonomía 1 días

Ah requeridos por Ciclo 129.7 Ah

Tamaño de Batería 100.0 Ah

Cantidad de Baterías 2.0 Unidades

Otra contribución

de ENERGY

M ARKET ( www.e-

market.cl )

Valores en verde

son modificables

por digitación

TABLA I: CÁLCULO DE PANELES SOLARES

TABLA II: CÁLCULO DE BATERÍAS

Contribución de

Fórmula por

Rodrigo Oyarce ;

llevado a Excel por

Hernán M oraga

Ciudad: Guatemala

22

TAMAÑO DEL INVERSOR:

Según las especificaciones encontradas podemos utilizar un inversor de las

especificadores siguientes, para nuestro ejemplo:

Potencia nominal: 1000 W

Potencia Pico (Arranques): 2000 W

Potencia max de trabajo: 900W

Voltaje de entrada: 11 - 14 Volt DC

Voltaje salida: 230 Volt~ Alterna +-10%

Frecuencia: 50Hz

Tipo de onda: mod. Sinusoidal modificada.

Consumo interno => 0,5 Amp.

Alarma 10,5 Volt en batería

Corte de corriente 10,5Volt en batería

Medidas: (LxAxH) 28,7cm x 12,4cm x 7,0cm

Peso: 2.200g

Precio: Q 1000.00

REGULADOR DE CARGA: Para 12/24 V, este tiene un precio promedio de

$50.00 o Q 500.00

COSTOS QUE NOS GENERA ESTE SISTEMA:

Precio del Panel: € 250.00(promedio, datos del mercado)

€ 250.00x11.40= Q2,850.00 x 3 paneles= Q 8,550.00

Precio del Regulador de Carga:

$ 50.00(datos del mercado, puede llegar a costar hasta $200.00)

$ 50.00 x 7.80= Q 390.00

Precio del Inversor: € 100.00(promedio, datos del mercado)

€100.00 x 11.40= Q 1140.00

INVERSIÓN TOTAL ESTIMADA (para este sistema):

(Q 8,550.00+Q390.00+Q 1140.00)= Q 10,080.00

(Calculo no incluye cables, ni soportes de los Paneles, ni instalación)

300 W 600 W 1000 W 1500 W  2000 W 3000 W

200 x x x x x x

400 x x x x x

720 x x x x

1200 x x x

1750 x x

2500 x

Potencia

Recomendada a

conectar [W.]

Potencia Nominal Inversor Recomendado