UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

FILIAL – ABANCAY

facultad de ingeniería y arquitectura

Carrera profesional de ingeniería ambiental

“Diseño de una mini central de energía hidroeléctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Abancay-Apurímac.”

Docente:

Alumnos:

“DISEÑO DE UNA MINICENTRAL DE ENERGÍA HIDROELÉCTRICA EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA CIUDAD DE ABANCAY”

DESIGN OF A MINICENTRAL OF HYDROELECTRIC ENERGY IN THE PLANT OF RESIDUAL WATER PROCESSING IN THE CITY OF ABANCAY"

RESUMEN.

La implantación de minicentrales hidroeléctricas está experimentando un considerable impulso en los últimos años. En los países desarrollados las minicentrales permiten obtener energía en aquellas localizaciones donde una gran central no sería viable además de minimizar el impacto ambiental que produce la obra civil (presa, edificio de la central…). En los países en vías de desarrollo las minicentrales permiten la electrificación de zonas rurales alejadas de los grandes núcleos de población proporcionando un empuje decisivo para su crecimiento socioeconómico.

Además de buscar nuevas fuentes de energía también hay que optimizar el uso de los recursos disponibles, es por esto que al diseñar una mini central de energía eléctrica para la PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALESse pretende optimizar la infraestructura de la planta ya que las condiciones físicas nos permiten generar energía eléctrica.

Por último, cabe añadir, que todo el trabajo realizado se enmarca dentro de la fase de diseño y pre dimensionamiento de una mini central. Con ello se pretende facilitar un diseño de la planta que garantice una respuesta adecuada en condiciones normales de operación

Palabras clave: planta de tratamiento de aguas residuales, mini centrales.

SUMMARY.

The establishment of minicentrales hydroelectric is experiencing a considerable impulse in recent years. In the countries developed the minicentrales permit to obtain energy in those locating where a great head office would not be viable besides minimizing the environmental impact that produces the civil work (prey, building of the head office…). In the developing countries the minicentrales permit the electrification of faraway rural zones of the large population centers providing a decisive push for its socioeconomic growth. Besides seeking new sources of energy also one must optimize the use of the available resources, is for this that upon designing a mini electric power station for the PLANT OF RESIDUAL WATER PROCESSING intends to optimize the infrastructure of the plant since the physical conditions permit us to generate electric power.

Finally, it fits to add, that all the work carried out is framed inside the phase of design and pre dimensionamiento of a central mini. With it intends to facilitate a design of the plant that guarantee an adequate answer in normal conditions of operation

Keywords: plant of residual water processing, central mini.

I. INTRODUCCION.

La energía eléctrica tiene una alta incidencia en las actividades diarias de los seres humanos debido a algunas ventajas tales como:

• Facilidad de empleo.
• Las reducidas emisiones que produce su consumo
• La facilidad de transporte a grandes distancias.
• Que se puede obtener a partir de varias fuentes de energía primaria
• Energía renovable dependiendo de la energía primaria que se utilice para generarla

Es por estas ventajas que la energía eléctrica se ha convertido en indispensable para el desarrollo de las actividades diarias de los seres humanos ya que sin energía eléctrica no tendríamos la posibilidad de desarrollar actividades como: trabajo, comunicación, transporte etc.

Como una consecuencia a la alta dependencia de la energía eléctrica para los seres humanos hay una constante búsqueda de nuevas fuentes de energía primaria para convertirla en energía eléctrica, en la actualidad la búsqueda de fuentes de energía primaria está tomando nuevas variables y condiciones fundamentales para considerar estas fuentes como viables, unos de los aspectos importantes es la sustentabilidad de las fuentes es decir el impacto ambiental y la durabilidad de la fuente de energía, tomando en consideración estos aspectos se ha determinado la posibilidad de pequeños diseño y construcción de generación eléctrica en base a energías primarias renovables que se encuentran en la naturaleza.

II. ANTECEDENTES E IMPORTANCIA.

En la actualidad el uso de energía obtenida a base de la combustión de hidrocarburos está generando grandes problemas al medio ambiente debido a las emisiones de gases de efecto invernadero, y los efectos que esto genera en el clima, es por esto de la necesidad de buscar y reemplazar la energía basada en la combustión de hidrocarburos por energías renovables que sean amigables con el medioambiente una de las alternativas que tenemos es la energía eléctrica obtenida a partir de la energía cinética del agua comúnmente conocida como energía hidroeléctrica.

Además de buscar nuevas fuentes de energía también hay que optimizar el uso de los recursos disponibles, es por esto que al diseñar una mini central de energía eléctrica para la planta de tratamiento de aguas residuales se pretende optimizar la infraestructura de la planta ya que las condiciones físicas nos permiten generar energía eléctrica.

La mini central tendrá como objetivo generar parte de la energía utilizada para el funcionamiento de la planta así como del aprovechamiento de la infraestructura instalada en la planta.

Una de las ventajas que presenta la planta de tratamiento de aguas residuales es que gran parte de la infraestructura con la que cuenta la planta es la misma que se necesita para la implementación de una mini central lo cual reduciría los costos y aumenta la factibilidad del proyecto.

III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En época de estiaje en nuestro país se generan graves inconvenientes por la falta de energía eléctrica es cuando se recurre a la generación de energía, principalmente hidrocarburos como fuente de energía primaria, para evitar el uso de energía eléctrica a partir de los hidrocarburos se está planteando un sin número de proyectos para la implementación de mini centrales a lo largo de la geografía proyectos al realizar este proyecto de tesis pretendemos demostrar que si reutilizamos las instalaciones de tratamiento de agua es posible viabilizar los proyectos de mini centrales debido a la reducción de costos por la construcción.

IV. JUSTIFICACIÓN Y APLICACIÓN.

Las fuentes de energía no renovables y la mala utilización de la energía, está generando cambios climáticos y degenerando el medio ambiente, por eso es necesario buscar fuentes de energía renovables como la energía hidroeléctrica ya que es un recurso sumamente abundante en nuestro país.

Partiendo de que toda actividad que realizan los seres humanos tenemos, que la generación hidroeléctrica genera impactos en el medio ambiente ya conocidos, el uso del agua para las actividades diarias de los seres humanos también generan contaminación en el agua, para el tratamiento de esta agua se estaba construyen una planta de tratamiento en la ciudad de Abancay, la misma que es transportada por una red de interceptores y ductos hacia la planta ubicada en el sector de Illanlla.

Este caudal de agua que se quiere aprovechar para generar energía hidroeléctrica ya que la mayor parte de la infraestructura que se tiene en la planta es la que se necesita para la instalación de mini centrales hidroeléctricas.

Las mini centrales como toda actividad generan un impacto el medio ambiente, pero en este caso la mini central será instalada en un ecosistema que ya está modificado y se aprovechara la energía que este puede producir.

V. METODOS Y MATERIALES.

La presente investigación se llevó a cabo con trabajo a pequeña escala y de una minicentrales hidroeléctrica construida de manera que se asemeje a dicha mini central hidroeléctrica , utilizando una turbina pelton construida con materiales de rehusó .

En el diseño de mini centrales hidroeléctricas uno de los aspectos de análisis son las condiciones físicas del lugar en donde se quiere implementar la mini central, ya que de estas dependerán la potencia y la confiabilidad del servicio que se pueda generar, uno de los inconvenientes que se ha encontrado en la implementación de mini centrales de generación es el aspecto económico ya que como sabemos el costo de inversión inicial en los proyectos hidroeléctricos es bastante alto pero a largo plazo son los más rentables además del financiamiento el tiempo de construcción y puesta en marcha es una de las dificultades que este tipo de proyectos ha encontrado en el camino.

5.1. Criterios teóricos para el diseño de una mini central

5.1.1. Alturas de salto neto

Es la distancia vertical medida entre la lámina de agua de la toma de agua y la del canal de descarga, de acuerdo con esto y a las características de cada turbina se ha obtenido la siguiente tabla:

Tabla 5.1.1Altura de trabajo de las turbinas

Con los datos de caudal y salto geodésico tomados de los estudios de pre factibilidad procedemos a dimensionar la mini central en todos sus componentes con la finalidad de garantizar el funcionamiento y la durabilidad del sistema entre los componentes a dimensionar.

• Obra civil
• Equipamiento electromecánico
• Equipos auxiliares.

5.1.2. Calculo de la altura aprovechable

Determinar la altura vertical entre la cámara de carga y la casa de máquinas es indispensable para empezar con los cálculos de los componentes de la mini central debido a que esto nos proporciona la potencia a obtener para nuestro estudio.

5.2. Métodos para determinar los saltos geodésicos o caída neta

5.2.1. Método del nivel con manguera

En este método se requiere una manguera y unas escalas; la altura Hx se determina como la diferencia entre las 2 indicaciones de las escalas, en los puntos del nivel de agua en la manguera; la altura total del aprovechamiento es la suma de estas diferencias desde la casa de máquinas hasta el tanque de presión.

Figura 5.2.1método de nivel con manguera

5.2.2. Método del Barómetro:

En este método la presión atmosférica varia inversamente proporcional a la altura sobre el nivel del mar, así en función de la presión en un determinado lugar se puede determinar su altura; por tanto, si se conoce la diferencia de presión entres 2 puntos, se pueden determinar la diferencia de niveles existentes.

Cuando se dispone de un solo altímetro se realiza de la siguiente manera: Se aparta de un punto de altura conocida, se lee la altura en el altímetro y se anota la hora en que se hizo la observación y la temperatura que indica el termómetro. Luego se lleva el instrumento a los otros puntos cuya cota se desea conocer y en cada uno de ellos se anota la altura, la hora y la temperatura; se regresa inmediatamente al punto de partida y de nuevo se hace la lectura del tiempo y la temperatura.

Los cambios en las condiciones atmosféricas hacen que la altura leída inicialmente no concuerde con la lectura del altímetro luego de tomar los otros puntos. Se supone que las condiciones atmosféricas varían gradualmente durante el lapso de tiempo comprendida entre la altura inicial y la final.

5.2.3. Método del Profundímetro:

Es un método sencillo que mide la presión de una columna de agua y toma su equivalente en metros. Requiere de un tubo plástico en el cual se encuentra una columna de agua y al final del tubo se coloca un profundímetro, que indica la presión ejercida por el agua en su equivalente en metros, de acuerdo con la siguiente expresión:

Ecuación 5.2.3.1Calculo método del profundimetro

Dónde:

• P= Es la lectura de la presión en Kpa.
• H= Es la caída en metros.

5.3. Calculo del caudal

El cálculo de caudal de agua viene expresado por la ecuación de continuidad:

Q=V*S

Ecuación 5.3.2Ecuación cálculo del caudal

Donde es:

• Q es el caudal (m3/s)
• V es la velocidad (m/s)
• S es la sección de la tubería (m2)

Para que el fluido se traslade entre dos puntos dentro de una línea de flujo, debe existir una diferencia de energía entre los dos puntos, la diferencia de energía representan las perdidas por rozamiento en la línea de flujo, el rozamiento no es una constante este depende de la estructura del material del que está compuesto la línea de flujo.

• La rugosidad del conducto
• La viscosidad del fluido
• El régimen de funcionamiento (régimen laminar o régimen turbulento)
• El caudal circulante, es decir de la velocidad

El cálculo de caudal se basa en la ecuación de Bernoulli

Ecuación 5.3.3Ecuación de Bernoulli.

Dónde:

• g : aceleración de la gravedad
• p : densidad del fluido
• P : presión

Considerando el rozamiento, la ecuación entre dos puntos 1 y 2 se expresa como

Ecuación 5.3.4Ecuación de Bernoulli

Simplificando:

Ecuación 5.3.5Ecuación de Bernoulli

Donde perdidas (1,2) es la perdida de energía que sufre el fluido por causa del rozamiento al circular entre el punto 1 y 2. Si tomamos una distancia L del ducto de conducción o canal o rio tenemos que (perdidas (1,2)/L este valor representa la perdidas de altura por unidad de longitud de conducción este valor es la pendiente de la línea de energía y se lo denomina J.

5.6. Calculo hidráulico

Una vez conocidos los datos de caudal y altura procedemos al cálculo de los componentes hidráulicos de la mini central, la tubería forzada y los componentes hidráulicos

5.6.1 Potencial Hidroeléctrico Teórico Bruto (P.H.T.B.).

El potencial hidroeléctrico bruto o potencia teórica es la potencia estimada que podemos obtener de las condiciones físicas de nuestro emplazamiento para la mini central este potencial se lo obtiene a partir de la formula.

Figura 5.6.1 Esquema de energía potencial del agua

Fuente: Autores

Presión:

P=d*g*H

Ecuación 5.6.1 Ecuación del cálculo de la presión

Dónde:

• d es la densidad del agua (1000Kg/m3)
• g es la aceleración de la gravedad en 9.8 m/s2
• H es la caída en metros

Potencia:

P=F*V

Dónde:

• F : fuerza
• v : velocidad

Fuerza:

P=d*g*H*S*V

Como el caudal es:

Q=V*S

Entonces tenemos

P=d*g*H*Q

Reemplazando los valores

Simplificando

Multiplicando los valores por un factor de rendimiento

Ecuación 5.6Calculo de la potencia teórica de una central hidroeléctrica

Dónde:

• P : potencia en KW de la mini central
• 9,8: peso específico del agua.
• Q: caudal de agua que tenemos m3/seg.
• H : altura del salto geodésico en m
• KW: rendimiento estimado de los equipos (turbina generador)

Esta fórmula es la misma utilizada para el cálculo del PHB de las grandes centrales de generación hidroeléctrica.

5.7. Calculo para los componentes de turbinas Pelton:

Para el cálculo de los componentes de una turbina tipo pelton procedemos en primer lugar hacer referencia al diagrama que muestra la relación entre la potencia y la altura de la mini central:

Figura 5.7 Curva característica turbina pelton.

Figura 5.7Diagrama de cuchara turbina pelton.

De estos gráficos sacamos la siguiente tabla que describe el cálculo que se debe seguir para calcular los componentes de una mini central.

Tabla 5.7.1 Formulas para el cálculo de las dimensiones de rodete turbina pelton.

5.8Características generales de la planta.

La planta de tratamiento de aguas residuales, está constituida por una estructura de tratamiento preliminar y dos módulos de tratamiento independientes, el área de tratamiento preliminar está compuesta por:

• Interceptores.
• Cajón de llegada.
• Cribas auto limpiante.
• Desarenadores.

Y dos módulos de tratamiento independientes compuestos por:

• Lagunas aireadas.
• Lagunas facultativas.
• Lagunas de maduración.

VI. CONCLUSIONES Y RESULTADOS.

6.1 CONCLUSIONES:

• Los pequeños proyectos hidroeléctricos son una alternativa para el desarrollo de la población en áreas rurales, nuestro proyecto busca incentivar la utilización de la infraestructura existente, construida en áreas urbanas para la instalación de pequeños proyectos hidroeléctricos, con la intención de reutilizar la infraestructura reduciendo así los costos y ampliando la probabilidad que los proyectos lleguen a su ejecución.

• El proyecto de diseño de la mini central en las instalaciones de la planta de tratamiento de aguas residuales en illanlla de la ciudad de Abancay es factible, gracias a la reutilización de la infraestructura existente dentro de la planta.

• Cajón de llegada
• Compuertas de admisión
• Cribas auto limpiantes
• Desarenadores
• Lagunas
• Vertederos
• Tuberías
• Sistema de comunicación
• Sistemas eléctricos
• Trasformadores

6.2 RESULTADOS:

• De acuerdo al análisis de rentabilidad económica nuestro proyecto es rentable a largo plazo, pero cabe recalcar los beneficios a obtener inmediatamente:

• Se contara con un sistema de autogeneración para el consumo interno de la planta (el 10% del consumo total de la planta)
• Al aprovechar la infraestructura existente minimizamos el impacto generado ya que el ecosistema que utilizamos es un ecosistema ya modificado.

• Para la ejecución del proyecto tenemos que realizar la modificación en el sistema eléctrico existente en la planta, esta modificación mejorara el sistema eléctrico ya que le dará mayor confiabilidad.
• La potencia teórica calculada de la mini central podría abastecer la demanda para el funcionamiento de la planta de lodos y el sistema de iluminación de las lagunas. Yaqué este sistema necesita 105 Kw de carga diversificada para su funcionamiento, y las mini centrales estarían en capacidad de generar 145 KW, con los caudales mínimo de ingreso de los últimos diez años.
• Con la generación de energía eléctrica mejoramos la eficiencia y potenciamos los objetivos de la planta que es la protección del medio ambiente ya que se tendrá una fuente de energía renovable con un recurso renovable. De acuerdo con el análisis estadístico de los caudales promedio de ingreso a la planta podemos obtener la siguiente tabla de proyección de energía generada

VII. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS.

• STEPHEN j. chapman, Máquinas eléctricas, 3edición, editorial Mc Graw hill, 2000
• GRAINGER Jhon j – William d. Stevenson jr. 1 ediciònMcGraw hill, 2002
• VIII encuentro latinoamericano y del Caribe sobre pequeños aprovechamientos hidroenergeticos1999
• ORTIZ Ramiro “ pequeñas centrales hidroeléctricas” segunda edición, editorial mexicana 1982
• OLADE “manual de diseño estandarización y fabricación de equipos para Pequeñas centrales hidroeléctricas volumen 1 1983
• CASTRO “ mini centrales hidroeléctricas Madrid 2006
• L. TAPIA “operación de subestaciones” ecuador 2005
• OSCARMALLITASIG, “ modelación y diseño digital para micro centrales de generación hidroeléctrica” ecuador 2008
• Harper Gilberto, Manual de instalaciones eléctricas residenciales e industriales, segunda edición, editorial LIMUSA
• http://es.wikipedia.org/wiki/VAN