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HDT 51a: Bombeo de agua con energías no convencionales

Ing. David Chávez Muñoz, Profesor de la Pontificia Universidad Católica del Peru, Residente en CEPIS. Setiembre 1992.

English version: HDT 51a: Pumping water with non-conventional energy

Equipos de energía hidráulica

Bombas de ariete

Las bombas de ariete hidráulico son máquinas sencillas que permiten elevar un caudal de agua q, hasta una altura h mayor que la altura o caida H que constituye la fuente de alimentación de la bomba. Su funcionamiento aprovecha las grandes presiones del fenómeno conocido como golpe de ariete hidráulico generado mediante el cierre violento de una válvula. Para ello un caudal Q (mayor que q) ingresa a la bomba y se derrama, activando las válvulas que la bomba tiene para este fin (2).

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  1. Características:

Existen tamaños que varian entre 2″ (50,8 mm) en la tuberia de alimentación hasta las 20″ (508 mm) en el modelo mas grande. Pueden elevarse caudales de hasta 60 l/s. La altura máxima de bombeo es de aproximadamente 300 m.

  1. Aplicaciones:

Se adapta facilmente para el bombeo de agua de las partes bajas de los valles hacia las partes altas.

Es ideal para bombear agua donde pueden obtenerse caidas de agua “H” (mayores de 1 m), ya sea desde un manantial, canal, acequia, arroyo, o desde un rio.

  1. Selección:

El tamaño adecuado para una necesidad se selecciona en función a la relación de las alturas h/H y al caudal que se desea elevar. Deben considerarse los siguientes datos:

Q = Disponibilidad de agua (m3/s) H = Altura de caida máxima (m) h = Altura de bombeo (m) q = Cantidad de agua elevar (m3/s) l = Distancia de bombeo (m).

  1. Costos:

CE: Varia entre US$ 200 y US$ 25,000.

CI: Aproximadamente 10% del CE.

CM: Aproximadamente 5% del CE.

CO: Menores a US$ 100.

Turbobombas

El sistema consiste en el acoplamiento de una turbina tipo Michell-Banki a una bomba centrifuga(3). La variada aplicación de estos sistemas puede incluir la generación de energía eléctrica mecánica directamente (molinos, aserraderos, etc.).

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  • Caracteristicas:
    • Se pueden construir con material y tecnología de bajo costo en talleres mecánicos.
    • Aprovechan manantiales, rios o corrientes de agua con caudales de 30 a 1500 litros por segundo.
    • Funcionan con saltos “H” de 2 a 25 m.
    • Bombean hasta un máximo de 60 m y 70 l/s o producen eléctricidad en potencias de hasta 60 kW con un rendimiento del 55%.
  • Aplicaciones:

Se adaptan especialmente para bombear el agua desde las partes bajas de los valles hacia las zonas altas y pueden generar eléctricidad en forma simultánea al bombeo.

  • Selección:

Si en un rio o manantial se cuenta con cierta cantidad de agua Q (m3/s) y se dispone de una caida determinada H (m), se puede seleccionar el equipo de turbobombeo según el siguiente procedimiento:

Se calcula el máximo caudal en l/s que podra bombear el equipo según:

Q.(H-L)
q = ———— . 550
h + 0,05.L

donde:

q = caudal que bombea h = altura de bombeo (m) L = longitud de bombeo (m)

Ejemplo: Si Q = 500 l/s; H = 11 m; h = 40 m; L = 80 m se tiene q= 62 l/s.

  • Costos:

Las turbobombas no tienen tamaños estándarizados y deben calcularse para cada instalación. Los costos aproximados son:

CE: US$1,200 x  kW de potencia.

CI: 10% del CE.

CM: 7% del CE.

CO: Menores a US$ 100.

Riobombas

La riobomba es una máquina compuesta por una rueda hidráulica de corriente libre y una bomba alternativa de pistones (4). La rueda aprovecha la energía cinética del agua que circula por un río, arroyo o canal de poca pendiente. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el giro de la rueda se transforma en movimiento lineal alternativo para accionar las bombas reciprocantes que elevan el agua desde el río hasta el nivel de descarga deseado.

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  1. Aplicaciones:

Es una alternativa de solución al problema de elevación de agua cuando no hay posibilidades de aplicar un sistema de bombeo basado en la caída de agua como fuente de energía. En estos casos, el agua que circula por un río, arroyo o canal, tiene poca pendiente y no permite la instalación de bombas de ariete o turbobombas. También es factible generar energía eléctrica o impulsar otros equipos mecánicos simultáneamente al bombeo de agua.

  1. Selección:

Las dimensiones principales de la rueda (diámetro y ancho) dependen de la velocidad del agua, así como de la sección transversal del canal o río y de la cantidad de agua que se desea bombear. Según el análisis de los prototipos, la potencia se calcula según:

Pot = 0,41 . V3. A

donde:

Pot = Potencia de turbina (kW) V = Velocidad del rio (m/s) A = Area transversal de la rueda hidraúlica (m2).

A partir de esto, la bomba de pistón puede elevar una cantidad de agua q (m3/dia) hasta altura h (m) según:

q . h = 8800 . Pot

Por ejemplo, si V = 1 m/s, A = 0,5 x 1,4 = 0,7 m2 entonces: Pot = 0,287 kW y según esto q x h = 2525. Para una altura de h = 20 m se tiene 126 m3/dia.

  1. Caracteristicas:

Para los modelos estándarizados:

  • Diametro de la rueda: De 2,40 a 6,0 m.
  • Ancho de la rueda :De 1,40 a 6,0 m.
  • Dimensiónes del sistema de bombeo:
    • Diametros estándarizados de 2 1/2″, 4″, 6″ y 8″.
    • Carreras estándarizadas de 10, 20, 30, 40, 50 y 60 cm.
    • Caudal de bombeo máximo: 20 l/s, minimo: 0.5 l/s.
  1. Costos:

Dependen de las caracteristicas especificas de cada instalación. Se pueden aproximar según:

CE: Aproximadamente US$1,500 x kW.

CI: 20% del CE.

CM: 5% del CE.

CO: Menores a US$ 100.

Aerobombas

Estas máquinas transforman la energía eólica en energía mecánica. Esto se consigue mediante un rotor que gira movido por el arrastre de la velocidad del viento (ver figura 4). Por medio de una transmisión de biela-manivela, se impulsa una bomba de pistón que a su vez eleva el agua (5).

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  1. Caracteristicas:

La Aerobomba MCTB500, desarrollada por el GRUPO, es de tipo multipala americano, con rotor de 12 paletas y 5 m de diámetro. Su velocidad nominal de rotación es 30 rpm., tiene perfil aerodinámico y transmisión por eje de acero AISI-SAE 1020 con rodamiento de bolas sellado y biela regulable. La torre es de 7 m de alto y tiene un tornamesa giratorio con control de dirección por veleta. Lleva un freno automático (tipo palanca). Bomba de tipo reciprocante (pistón) con cámaras de amortiguamiento.

  1. Aplicaciones:

Esta aerobomba puede elevar agua hasta una altura máxima de 20 m. El caudal máximo que se puede obtener de este equipo es de 4 l/s. Por lo tanto puede ser usada para extraer agua desde pozos subterráneos o para elevar el agua desde estanques hacia niveles superiores.

  1. Selección:

Se ilustra con un ejemplo: Si la velocidad promedio del viento durante 6 horas es de V = 5 m/s y se desea extraer agua desde 15 m de profundidad, el caudal que se extrae sera: 1,8 l/s o 7 m3/h. Por tanto, en 6 horas se bombearan 42 m3. Alternativamente se puede utilizar la siguiente formula para la potencia en Watts:

Pot = 0,078 . D2 . V3

Siendo D el diámetro del rotor en m y V la velocidad del viento en m/s.

  1. Costos:

Son variables con cada lugar de instalación.

CE: Entre US$2,700 y US$6,000.

CI: 15% del CE.

CM: 15% del CE.

CO: Menores a US$ 100.

Aerogeneradores

Los aerogeneradores producen energía eléctrica mediante un proceso de dos etapas. La primera consiste en captar la energía eolica y transformarla en energía mecánica por medio de un rotor aerodinámico. La segunda etapa transforma la energía mecánica en eléctrica en un generador sincrono. La energía eléctrica pasa luego a traves de un regulador de voltaje, que corrige las variaciones producidas dentro de este y permite su almacenamiento en baterias (6). La corriente procedente de las baterias es repartida en dos circuitos. Uno de ellos es de corriente continua y tiene capacidad para alimentar circuitos de alumbrado y todos aquellos aparatos que poseen resistencias ohmicas. El segúndo circuito se conecta a un convertidor que cambia la corriente continua en alterna, y eleva los 12, 24 o 36 voltios de la bateria a 110 o 220 voltios.

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  1. Aplicaciones:

La potencia eléctrica que el aerogenerador puede suministrar permite alimentar una gran variedad de artefactos eléctricos de pequeña potencia, entre ellos eléctrobombas de hasta 1/2HP. De esta manera, se puede bombear agua ya sea desde pozos subterráneos o desde la superficie hasta niveles mas altos.

  1. Caracteristicas: Referidas al Aerogenerador WAIRA:
    • Rotor bipala de 3 m de diámetro, hecho de material híbrido (fibra de vidrio/poliester/epoxy) con perfil aerodinámico NACA 4412 para 300 RPM.
    • Transmisión de multiplicación por faja y poleas de aluminio-silicio.
    • Generador sincrono con rectificación completa y regulador de voltaje incorporado a 12 o 24 voltios.
    • Torre de perfiles de acero de 6 m.
    • Inversor para la conversión de los 12 o 24 voltios almacenados en las baterias a 220 V.
    • Baterias que según el tamaño, permiten trabajar hasta con 2,000 W en forma continua durante todo el dia (si hay viento las 24 horas).
  2. Selección:

La potencia suministrada depende de la velocidad del viento según:

Potencia = 1225 V3

donde V = velocidad del viento (m/s).

Segun esto, para vientos de 10 m/s podemos obtener potencias de 1225 lo que permite el funcionamiento de bombas centrifugas (eléctro-bombas) de hasta de 1/2 HP que proporcionan un caudal q de hasta 6 m3/h, a una altura de h = 20 m. De esta manera, la generación de eléctricidad con energía eolica constituye una alternativa al problema de bombeo.

  1. Costos:

CE: Modelo Waira 3.0 US$ 1,500.

CI: 5% del CE.

CM: US$200.

CO: Menores a US$ 100.