Diseño de pico-turbinas hidráulicas axiales para la recuperación de energía en redes de distribución de agua

Resumen

La energía consumida por la industria del agua no es despreciable y mejoras en la eficiencia energética de las redes de distribución de agua son necesarias. En este trabajo se buscó pro porcionar un nuevo enfoque adimensional para el diseño de pico-turbinas hidráulicas axiales a medida para la recuperación de energía en redes de distribución de agua. Para mejorar trabajos encontrados en la literatura y bibliografía, la teoría de flujo ideal en cascadas bidi- mensionales junto con las correlaciones de perfil aislado-cascada de Weinel fueron utilizados como compromiso entre precisión y simplicidad. A partir de éstas se construyó un mapa de diseño adimensional. Para obtener mapas más compactos se introdujo un novedoso factor adimensional de flujo-carga, simplificando el análisis del estátor. Para simplificar la fabricación se impusieron álabes rectos, sin torsión con perfiles en forma de arco. A partir de cinco parámetros de entrada, se fijaron tres y dejaron variar dos para trazar el espacio diseño óptimo. A partir de este espacio una turbina o familia de turbinas puede ser obtenida. Se exploraron y probaron programas comerciales y de código abierto para flujo de trabajo CFD. Se encontraron deficiencias para CAD y mallado de calidad para los programas de código abierto. Se realizó un estudio de mallado paramétrico para validación y caracterización de incertidumbre numérica con enfoque híbrido de licencias. Para el mallado y simulación se utilizaron los programas de código abierto Salome platform v9, comercial Ansys TurboGrid v17 y librería de código abierto OpenFOAM v8. La incertidumbre de discretización máxima encontrada fue del 2 %. Los criterios de mallado y simulación desarrollados fueron satisfactorios y se utilizaron para diseños posteriores. Se realizó un estudio comparativo para probar el método. Se diseñó y simuló un ejemplo de diseño y un diseño con método de la bibliografía en las condiciones que una turbina de la literatura con ensayos experimentales. El ejemplo de diseño mostró mejores curvas de actuaciones en la meseta de eficiencia, obteniendo una eficiencia hidráulica máxima del 63 %. Se desarrolló un algoritmo y criterios de selección de componentes eléctricos a partir del análisis adimensional de sistemas acoplados hidráulico-eléctrico para la carga de baterías con energía recuperada en redes de distribución de agua. Estos fueron aplicados en un caso industrial de recuperación de energía en la red de aguas de la ciudad de Murcia. Se diseñó una pico-turbina hidráulica y se seleccionaron simultáneamente los componentes eléctricos del sistema para funcionamiento óptimo acoplado. Se realizaron simulaciones y trazaron curvas adimensionales y mapas de operación del sistema acoplado mostrando el cumplimiento de los requisitos industriales. El método de diseño, algoritmo y criterios adimensionales desarrollados demostraron ser útiles para el diseño de pico-turbinas hidráulicas simples en acople óptimo hidráulico-eléctrico, apoyándose en un sólo mapa adimensional