Energía hidráulica

El ciclo del agua consume casi 30 % de la energía solar que llega a la Tierra.

Se conoce como energía hidráulica a la energía adquirida por el agua en el proceso natural de evaporación-lluvia provocado por la energía solar y se manifiesta en forma de energía cinética y/o potencial en ríos y embalses. Con esta energía se puede mover una turbina acoplada a un generador, produciendo así la electricidad. En Cuba existen cientos de minihidroeléctricas en funcionamiento que dan servicio a la población en zonas rurales y pueden construirse varios cientos más, si se aprovechan los embalses ya construidos.

Energía hidráulica: se obtiene de la caída del agua desde una cierta altura, hasta un nivel más bajo. Esto provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas.
De esta forma de energía se puede derivar la hidroelectricidad, que es un recurso natural disponible en aquellas zonas que presentan suficiente cantidad de agua disponible.
La potencia que pueda alcanzar una central hidroeléctrica dependerá básicamente de dos factores: el caudal de agua y la altura del salto de la presa.
Crear centrales hidroeléctricas implica costos elevados, por las construcciones que se deben realizar y además por las instalaciones de complejas maquinarias. Pero, su funcionamiento en términos generales es de bajo costo. Lo más importante es el hecho de que la energía hidroeléctrica es una energía limpia.
Actualmente, la energía hidráulica es utilizada para obtener energía eléctrica, sin embargo, los antiguos griegos y romanos ya aprovechaban la energía del agua para construir ruedas hidráulicas para moler trigo. En la Edad Media se construyeron grandes ruedas hidráulicas de madera, que desarrollaban mucha fuerza.
La energía hidroeléctrica logró un gran desarrollo gracias al trabajo de un ingeniero británico, llamado John Sweaton, quien construyó por primera vez grandes ruedas hidráulicas de hierro.
La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial, ya que a principios de siglo XIX activó las industrias textiles y del cuero, además de los talleres de construcción de maquinaria.

ENERGIA HIDRAULICA:

Esta modalidad energética es aceptable ecológicamente, siempre y cuando se apueste por la construcción de minipresas, cuyo principio funcional es idéntico al de los grandes embalses y, sin embargo, su impacto ambiental es reducido y su rendimiento, aunque menor, es perfectamente almacenable y válido para consumo. Lo ideal es la creación de una red de minicentrales hidroeléctricas que abastezcan de agua y electricidad a zonas rurales muy limitadas. De esta forma la diversificación y la eficacia será mayor y el impacto ecológico mucho más reducido.

Energía Hidráulica.- Es un tipo de energía mecánica. Por ejemplo, la energía obtenida de los movimientos de las aguas de un río. El agua tiene una importante cantidad de energía potencial, el agua cae a través de ductos, transformando la energía potencial en energía cinética. Este movimiento se aprovecha para accionar turbinas generadoras de electricidad (Centrales Hidroeléctricas).

2) Energía hidráulica. Para producirla se aprovechan las caídas del agua, por lo tanto se trata de energía potencial. Los griegos fueron los primeros en usarla, por medio de la rueda hidráulica para bombear agua que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial y después cinética.

Las Energías Renovables son aquellas que, aprovechando los caudales naturales de energía del planeta, constituyen una fuente inagotable de flujo energético, renovandose constantemente. Dicho de forma más sencilla, son aquellas que nunca se agotan y se alimentan de las fuerzas naturales.

Energía Hidráulica______________________________________

Ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

Más recientemente, hace más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla.
El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica.

Hoy en día, con los problemas medioambientales, se ven las cosas desde otra perspectiva. Esto ha hecho que se vayan recuperando infraestructuras abandonadas dotándolas de nuevos equipos automatizados y turbinas de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental no es más del que ya existía o por lo menos inferior al de una gran central. A estas instalaciones, con potencia inferior a 5.000KW se les denomina mini-hidráulicas.

Las minicentrales hidroeléctricas están condicionadas por las características del lugar de emplazamiento. La topografía del terreno influye en la obra civil y en la selección del tipo de máquina.

Centrales de aguas fluyentes____

Aquellas instalaciones que mediante una obra de toma, captan una parte del caudal del río y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento, para después devolverlo al cauce del río.

Centrales de pie de presa____

Son los aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la opción de almacenar las aportaciones de un río mediante un embalse. En estas centrales se regulan los caudales de salida para utilizarlos cuando se precisen

Centrales de canal de riego o abastecimiento___

Se pueden distinguir dos tipos:

• Con desnivel existente en el propio canal

Se aprovecha mediante la instalación de una tubería forzada, que conduce el agua a la central, devolviéndola posteriormente al curso normal del canal.

• Con desnivel existente entre el canal y el curso de un río cercano.

En este caso la central se instala cercana al río y se aprovechan las aguas excedentes en el canal.

A la hora de realizar un proyecto de una minicentral hidroeléctrica y dependiendo del tipo por su emplazamiento, la determinación del caudal y la altura de salto determinará la potencia a instalar, así como, el tipo de mini-turbina.

Existen varios tipos de mini-turbinas

De reacción:

Que aprovecha la energía de presión del agua en energía cinética en el estator, tanto en la entrada como en la salida, estas aprovechan la altura disponible hasta el nivel de desagüe.

Kaplan:

Se componen básicamente de una cámara de entrada que puede ser abierta o cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas en forma de hélice de barco y un tubo de aspiración.

Francis:

Caracterizada por que recibe el flujo de agua en dirección radial, orientándolo hacia la salida en dirección axial.

Se compone de:

Un distribuidor que contiene una serie de álabes fijos o móviles que orientan el agua hacia el rodete. Un rodete formado por una corona de paletas fijas, torsionadas de forma que reciben el agua en dirección radial y lo orientan axialmente. Una cámara de entrada, que puede ser abierta o cerrada de forma espiral, para dar una componente radial al flujo de agua. Un tubo de aspiración o de salida de agua, que puede ser recto o acodado y se encarga de mantener la diferencia de presiones necesaria para el buen funcionamiento de la turbina.

De flujo cruzado: también conocida como de doble impulsión, constituida principalmente por un inyector de sección rectangular provisto de un álabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con múltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los extremos a discos terminales.

El caudal que entra en la turbina es orientado por el álabe del inyector, hacia las palas del rodete, produciendo un primer impulso. Posteriormente, atraviesa el interior del rodete y proporciona un segundo impulso, al salir del mismo y caer por el tubo de aspiración.

De acción:

Que aprovecha la energía de presión del agua para convertirla en energía cinética en el estator, estas aprovechan la altura disponible hasta el eje de la turbina.

Pelton:

Consta de un disco circular que tiene montados en su periferia unas paletas en forma de doble cuchara y de un inyector que dirige y regula el chorro de agua que inciden sobre las cucharas, provocando el movimiento de giro de la turbina.

La Hidráulica y su aplicación en la Física___________________

La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos; analiza las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y las técnicas para mejorar el aprovechamiento de las aguas; se divide en hidrostática (líquidos en reposo) y la hidrodinámica (líquido en movimiento).

Es la parte de la física que estudia líquidos en reposo. Tiene para su estudio las características de los líquidos que son: Viscosidad (Resistencia de un líquido a fluir), Tensión Superficial (Fuerza de atracción entre la moléculas de un líquido que permite se forme una finísima membrana plástica en la superficie de un líquido), Cohesión (Fuerza que mantiene unidad entre moléculas de una misma sustancia), Adherencia (Fuerza de atracción entre moléculas de sustancias diferentes), Capilaridad (Fenómeno que se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si se encuentran en recipientes tan delgados como el cabello, de ahí su nombre capilaridad).

Principio de Arquímides_________________________________

Todo cuerpo sumergido en un fluido parcial o completamente recibe el nombre de empuje ascendente originado por una fuerza igual al peso del fluido que desplaza. Se determinó matemáticamente como:

E = Pe* V donde E es empuje.

Prensa hidráulica_______________________________________

Una de las aplicaciones prácticas de Pascal se encuentra en la prensa hidráulica, mejor conocido como gato hidráulico el cual consiste en dos émbolos comunicados por un líquido que puede ser agua o aceite donde la presión ejercida en cada uno de los émbolos estará en función del área y la fuerza que se puede ejercer sobre cada émbolo pero logrando el equilibrio entre ambos, es decir:

Hidrodinámica__________________________________________

Es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento y para ello considera: la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del líquido.

En la hidrodinámica el teorema de Bernoulli que da origen o trata de la ley de la conservación de la energía que es importante ya que se refiere a la suma de energías cinética, potencial y de presión de los líquidos en movimiento con respecto de un punto determinado de tal manera que lo mismo sucederá en otro punto cualesquiera de un mismo líquido.

Las aplicaciones son: construcción de canales, puertos, cascos de barcos, hélices, ductos en general, etc.

Para facilitar el estudio de los líquidos se hacen siempre las siguientes consideraciones.

1).- los líquidos son completamente incompresibles.

2).- se considera despreciable la viscosidad, es decir, que no hay fuerza de rozamiento entre las diferentes capas del líquido y que no hay pérdidas de energía mecánica producida por la viscosidad.

3).- no hay resistencia cuando el líquido fluye a través de un conductor.

Energia hidraulica

La energía hidráulica tiene su origen en el "ciclo del agua", generado por el Sol, al evaporar las aguas de los mares, lagos, etc. Este agua cae en forma de lluvia y nieve sobre la Tierra y vuelve hasta el mar, donde el ciclo se reinicia.

La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial asociada a los saltos de agua y a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de un río.

Las centrales hidroeléctricas transforman en energía eléctrica el movimiento de las turbinas que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a diferente altura y, por tanto a gran velocidad.

Hay diversos tipos de centrales hidroeléctricas en función de su tamaño:
Las grandes centrales hidroeléctricas
Las centrales minihidráulicas o minicentrales. Éstas no requieren grandes embalses reguladores y por tanto su impacto ambiental es mucho menor.

Energía Hidráulica

Desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos. Más recientemente, hace más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla.
El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica. La función futura de la energía hidroeléctrica constantemente se evalúa conforme se elevan los precios de los energéticos, porque ésta no crea los pro­blemas de contaminación que generan las estaciones eléctricas de vapor que queman combustibles y debido también a que no requiere del consumo de los energéticos fósiles. Esto ha hecho que se vayan recuperando infraestructuras abandonadas dotándolas de nuevos equipos automatizados y turbinas de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental no es más del que ya existía o por lo menos inferior al de una gran central. Las centrales hidroeléctricas pueden ser:

• Centrales de aguas fluyentes: Aquellas instalaciones que mediante una obra de toma, captan una parte del caudal del río y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento, para después devolverlo al cauce del río.

• Centrales de pie de presa: Son los aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la opción de almacenar las aportaciones de un río mediante un embalse. En estas centrales se regulan los caudales de salida para utilizarlos cuando se precisen

• Centrales de canal de riego o abastecimiento

La distribución espacial de las plantas hidroeléctricas está relacionada con los costos de la producción de la energía y de la transmisión de ella ha­cia un mercado. Los costos de producción son la función de dos factores ambientales: la topografía y la hidrología. La generación hidroeléctrica está basada en el principio de que el agua bajo presión, una “cabeza”, impulsa­rá una rueda movida por agua o turbina, transformando la energía hidráu­lica en energia mecánica. La turbina está acoplada directamente a un gene­rador, que a su vez convierte la energía mecánica a energía eléctrica para su transmisión y distribución.Una región con una precipitación pluvial alta y con una topografía montañosa tiene una ventaja ambiental para la producción hidroeléctrica. Sin embargo, un sitio con características naturales su­periores puede ser de muy poco valor económico si se encuentra muy alejado del mercado. El equilibrio entre el costo de la producción y el costo de la transportación se aplica aquí como en otras formas de la actividad económica.

En muchos países la generación de energía hidroeléctrica se combina con otros beneficios en proyectos fluviales de propósito múltiple y a una gran escala.

Sin embargo, en años recientes, los precios crecientes de la energia han incrementado cl interés en cl desarrollo de las plantas de almacenamiento por bombeo. Estas plantas diseñadas especialmente para operar dentro de grandes sistemas, generan energía para el sistema durante las horas pico pa­ra ayudar a cubrir las demandas pico. Luego, a horas de baja demanda, ta­les como en la noche o durante fines de semana, la energia eléctrica de la red regional se utiliza para operar las turbinas de la planta (que son reversibles) como bombas para invertir el flujo y bombear el agua de la cisterna debajo de la planta hacia la cisterna arriba de la planta para ser utilizada en la ge­neración eléctrica durante el siguiente periodo pico. Una ventaja de la plan­ta de almacenamiento por bombeo es que solamente requiere un pequeño embalse de agua, que se utiliza una y otra vez. Por supuesto, este no es el ca­so de obtener algo por nada. Las leyes de conservación de la energía aún se aplican en este caso, y existe una pérdida general de energía en el sistema. Sin embargo, desde el punto de vista económico, la operación resulta bené­fica al proporcionar energia de gran valor durante las horas pico dentro del sistema y consumiendo energia de bajo valor, fuera de las horas pico del sis­tema.

Desventajas de la energía Hidroeléctrica:

• Disconformidad en la población

• Cambio de clima

• Alteración de la fauna y la flora.

• Erosión en las orillas de los lagos produciendo gas del pantano (gas metano) con la descomposición de la biomasa.

RESEÑA HISTÓRICA DEL LABORATORIO DE HIDRÁULICA EN LA FACULTAD DE MINAS (Por: Jorge I. Restrepo Mejía)

BREVE HISTORIA DE LA HIDRÁULICA Y LOS MODELOS REDUCIDOS EN EL MUNDO.

La ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a utilizar y controlar el agua. Por esto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ríos y basaron su economía en la agricultura. Paulatinamente fueron utilizando el riego en sus formas primitivas. Desde el momento en que el hombre logró representar sus conceptos por símbolos gráficos ha honrado el agua, dibujando líneas onduladas sobre los monumentos megalíticos y haciendo representaciones de la lluvia (tal el caso de Tláloc, la deidad azteca de la lluvia).

Del año 4000 al 2000 A. C. los egipcios y los fenicios ya tenían experiencias en problemas de agua, en la construcción de sus barcos y sus puertos. En ese tiempo, China, India, Pakistán, Egipto y Mesopotamia iniciaron el desarrollo de los sistemas de riego. Los chinos también experimentaron en la protección contra inundaciones, Después del alto 500 A. C. en la Grecia antigua se construyeron acueductos y se empezaron a desarrollar fórmulas para dichos sistemas; fue éste uno de los primeros intentos para la elaboración de un modelo matemático. Después, básicamente s lo se conoce la invención del molino de viento utilizado para extraer aguas subterráneas. Ya en el siglo XVI se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli,- alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.

El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Jerónimo Fargue sobre un tramo del Río Garona. En el año 1885, Reynolds construyó un modelo del rio Merssey, cerca de Liverpool. Él anotó que la relación existente entre la fuerza de la inercia y la fuerza de fricción interna era de gran importancia para el diseño de los modelos hidráulicos. Hoy en día, esta relación se denomina número de Reynolds, parámetro adimensional muy significativo en los modelos hidráulicos actuales.

El arquitecto naval William Froude, en 1870, indicó la importancia de tal relación de la fuerza de inercia y de la fuerza de gravedad. En la actualidad ésta relación se denomina número de Froude, parámetro adimensional básico en el análisis de los modelos hidráulicos. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels, y después de éste muchos otros aparecieron en casi todos los países del mundo; hoy en día hay más de un centenar, y con base en sus funciones se pueden clasificar de la siguiente manera:

a.- Docencia e Investigación Pura
b.- Investigación Aplicada

Los primeros, en cuanto a docencia, son utilizados en las universidades para demostrar a los estudiantes los fenómenos básicos de la hidráulica; en cuanto a la investigación pura, verifican las nuevas teorías en este campo. Los otros se pueden encontrar en entidades oficiales, a veces en las empresas privadas y también en algunas universidades, y contribuyen al buen funcionamiento de las obras hidráulicas y al conocimiento y mejora de los productos industriales.


PROCESO HISTÓRICO DEL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL LABORATORIO DE HIDRÁULICA.

La historia del Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional, Sede en Medellín, se inicia en el período 1954-1955. El Ingeniero Luis Santiago Botero, en ese entonces Decano de la Facultad Nacional de Minas, efectuó un contrato con ingenieros alemanes, y como parte del convenio el Ingeniero Alexander Borges elaboró los primeros diseños del Laboratorio.

Durante la Decanatura del Profesor Luis de Greiff (1958-19 0), uno de los científicos más distinguidos de nuestro medio, se construyó el llamado Edificio de Hidráulica, el cual alberga el actual Laboratorio y otros locales para oficinas y aulas. Su financiación fue posible, en parte con fondos provenientes de una importante donación que hiciera Ecopetrol a la Facultad. Por aquella misma época se compró e instaló el sistema de bombas y turbinas.

En el período 1960-1971 ocupó la Decanatura de la Facultad el Ingeniero Peter Santa Marfa quien dio un gran impulso a las actividades del Laboratorio. El ingeniero Rodrigo Cano G., Profesor de la Facultad, estuvo en los Estados Unidos adelantando estudios de especialización en el campo de la hidráulica, y a su regreso tuvo a su cargo la realización de las siguientes obras:

• Diseño de un canal elevado de pendiente variable, con paredes de vidrio.

• Construcción de un tanque elevado de cabeza constante, y reformas en el sistema de turbinas Francis y Kaplan.

• Diseño y operación de modelos hidráulicos reducidos para el túnel de descarga y la estructura de desfogue de la Central Hidroeléctrica de Guatapé, y para los disipadores de energía de la Central Hidroeléctrica de Guadalupe. Estos modelos reducidos fueron los primeros elaborados en Medellín, y de ellos se sacaron conclusiones y recomendaciones para las obras hidráulicas antes mencionadas.

El ingeniero Himerio Pérez, quien en 1970 era el Director del Departamento de ingeniería, acometió las labores administrativas necesarias para conseguir la financiación del diseño y construcción de las demás obras que completarían el aspecto docente del Laboratorio. En este empeño, el profesor Pérez encontró un total respaldo y apoyo por parte de las directivas de la Universidad, encabezadas por el Dr. Orlando Hurtado, Vice-rector de la Sede y el Dr. Nelson Gil, Decano de la Facultad de Minas. A partir del año 1971 se inició el período más dinámico que ha tenido el Laboratorio, durante el cual se llevaron a cabo numerosas obras y mejoras.

La vinculación de los ingenieros Jairo Murillo y Circe Sencial permitió que se adelantara la programación general previa para el nuevo desarrollo del Laboratorio, una remodelación parcial del primer piso del Edificio de Hidráulica y un prediseño para reformar el antiguo canal de paredes transparentes.

En 1971 ingresaron como auxiliares de docencia los señores Juan Camilo Sanín, Jorge I. Restrepo y Ricardo Smih. Posteriormente, en 1972, los dos primeros mencionados se vincularon a la Facultad como Profesores de dedicación exclusiva, y tuvieron a su cargo la dirección de la mayor parte de las obras que hoy conforman el Laboratorio. Colaboraron también en ésta última etapa, en calidad de auxiliares de docencia, Isabel Ramírez y los señores Gustavo Rendón y León Pérez.

Es muy conveniente destacar el carácter nacional del Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Minas. Todo el personal que ha intervenido en el desarrollo de los sistemas, tanto a nivel de dirección como de ejecución, es totalmente colombiano; así mismo, todos los materiales empleados han sido producidos en el país. Este esfuerzo nacionalista ha puesto de presente la capacidad técnica con que se cuenta en nuestro medio, y al mismo tiempo ha significado substanciales ahorros con respecto a instalaciones similares en el país.