Ciencias con mención en Energía

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Análisis energético de la central hidroeléctrica Santa Rosa 1 de 1,33 MW
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-11) Conte Chirinos, Antonio Ricardo; Chirinos García, Luis Ricardo
Hidroeléctrica Santa Rosa 1 es una central de pasada que emplea una turbina Francis doble de 1,33 MW. Desde su puesta en operación, la máxima medición de potencia eléctrica registrada en los bornes del generador está 14% por debajo de la potencia eléctrica de placa. Por otra parte, la medición de caudal muestra que el caudal disponible está 12% por encima del caudal de placa; por lo que el valor de la potencia eléctrica debería ser incluso mayor que la de placa. La empresa efectuó el cambio del rodete de la turbina con el propósito de aumentar la potencia de la central y/o eficiencia de la turbina, sin éxito. La propuesta solución que se planteó fue hacer una evaluación energética del sistema hidroeléctrico evaluando los parámetros relevantes que contribuyen con el problema como son: la longitud de la tubería de presión, el salto neto, el caudal y la geometría del rodete. Asimismo, se consideró que la eficiencia del grupo turbogenerador se mantenía constante. En primer lugar, se cuantificó teóricamente la energía hidráulica específica de la central, para lo cual se determinó que la longitud de la tubería de presión no era lo suficientemente larga para garantizar que el flujo dentro de la tubería de presión sea desarrollado. Posteriormente, se determinó que la diferencia entre la energía hidráulica específica de placa y la energía hidráulica específica teórica era de aproximadamente 33 J/kg. Con el valor de la energía hidráulica específica teórica, se determinó que la potencia eléctrica de la central cuando emplea el caudal de placa es de 1,13 MW, y para aumentar esta potencia se planteó aumentar el diámetro del tramo recto de 1,2 m a 1,5 m; observándose una ganancia de aproximadamente 70 kW. Asimismo, se determinó que la energía anual de la central y los ingresos aumentarían en 351 MWh y S/. 56 699 respectivamente. Luego, se recomendó efectuar el cambio de la tubería ya que el tiempo de recuperación de la inversión sería de 3 años. Finalmente, se efectuó el cambio de manómetro en la tubería de presión encontrándose que en el 77% de las mediciones de presión, la correspondiente potencia medida en los bornes del generador estaba por debajo de su respectiva potencia teórica esperada. En el 23% restante de las mediciones, sucedía lo contrario por lo que se recomendó que la toma de datos sea digital. En segundo lugar, se evaluó la medición del caudal disponible, para lo cual se graficó el perfil vertical de velocidades en el canal, encontrándose que la velocidad teórica (al 60% de profundidad de la superficie libre) es 4% mayor que la velocidad medida. Seguidamente, se determinó que el caudal teórico es un 30% mayor que el caudal disponible. Sin embargo, se estimó que la incertidumbre de la medición es de 13,3 %, esto debido a que se encontró los dos siguientes errores en la medición: en primer lugar, se consideró el mínimo número de líneas verticales (7 puntos en vez de 12) y en segundo lugar, que la medición de la velocidad se efectuó una vez en cada línea vertical cuando se debió hacer al 20% y 80% de profundidad de la superficie libre respectivamente. Efectuados dichos cambios, la incertidumbre se reduciría en aproximadamente 50%. Asimismo, se observó que la sección del canal considerado en la evaluación del caudal disponible, luego de efectuado las mediciones de la velocidad, era rectangular cuando debió ser trapezoidal; con lo cual el caudal disponible podría disminuir en casi 4%. Por todo lo mostrado anteriormente, el caudal disponible no debe ser tomado como un valor confiable sino que se la empresa deberá realizar futuras mediciones. En tercer lugar, se compararon las geometrías de: el rodete actual, el segundo rodete y el rodete teórico; encontrándose que el segundo rodete corresponde a una turbina más radial. De la misma manera, se comparó los triángulos de velocidades en los rodetes, encontrándose que la pérdida por choque en el segundo rodete era mayor. De la misma forma, la superficie mojada por álabe para el segundo rodete es mayor en aproximadamente 30% respecto al álabe del rodete actual, y por ende las pérdidas por rozamiento del flujo. Se concluyó que el rodete actual es el que más semejanza guarda con el rodete teórico para las condiciones nominales de la central. Se concluye que es posible aumentar la energía generada en la central hidroeléctrica Santa Rosa 1 aumentando el diámetro del tramo recto de la tubería forzada a 1,5 m, con lo cual se aumentaría en 351 MWh la energía generada anual lo que significa un aumento de los ingresos anuales por 56 699 nuevos soles. Asimismo, es importante verificar el tipo de flujo que se obtiene con el trazado de la tubería de presión, ya que de acuerdo al tipo de flujo la energía hidráulica específica disponible en la central hidroeléctrica es diferente.
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CFD analysis of performance and downstream vortices on a savonius typer vertical axis wind turbine
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-04-06) Guignard, Nathan
Since the turn of the century, the talk about the limited reserve of fossil fuels and the effects of their burning on our climate has become a major topic of the media. The evidence is staggering and as a consequence most of our world’s countries have started an energy transition. The main goal is to get away from fossil fuels and use “renewable energies”, so called because the resources are constantly renewed and compared to fossil fuels seem infinite. Energies such as solar, wind, biomass and geothermal are examples of such sources of renewables. Denmark is the current leader in wind generated electricity, California and Spain are showing how to harness the power of the Sun, and all those efforts to generate more with renewables has to be matched with the effort to make those solutions more efficient and more attractive to other countries who still view fossil fuels as the easy solution and keep on using them. With the knowledge available now renewables it feels for some that burning fossil fuels is a primitive solution. Nonetheless it should be the duty of engineers to enlarge and better that knowledge for everyone to use. Now more specifically about wind energy. Humans have harvested the energy in the wind for more than 2000 years (the Persians used windmills around 200 B.C.) and with time our technology has improved. They have designed incredible new machines such as the Savonius and Darreus type turbines and their knowledge of fluid dynamics has permitted the implementation of new streamlined blades that harvest more energy from the wind. Albert Betz has shown that a maximum of 59% was the limit for the efficiency of a wind-turbine. They have been getting closer to this number with the years but there is still room for improvement on certain types of turbines. Vertical axis wind turbines (or VAWTs) have always been considered not as suitable for energy production as horizontal type wind turbines. It is true because not all blades are exposed to the wind at all times (like in a horizontal axis wind turbine), but new studies have proved that streamlining the blades a certain way and adding a wing like thickness to them improved the overall efficiency of the turbine. Knowing that and considering that HAWTs are significantly cheaper to produce and maintain than HAWTS, it makes them a more viable solution notably for local decentralized production in isolated areas of the world.That leads to Peru. Peru is a fast growing still yet a 3rd world country. Its potential for renewable energies production (especially wind energy) is tremendous, yet the great amount of gas and oil available in the underground and them coming at a cheap price does not encourage the government to subsidize renewables. It leaves Peru dependent on foreign investments to develop this sector and takes away a great opportunity to forego its energetical transition and get ahead of competition in South America. Some projects have surfaced notably in northern Peru, in the Trujillo region, but there are few compared to the mega industry of oil and gas. This thesis paper has for goal to further the knowledge of wind turbines in the context of hoping to change Peru’s view on their use and also for the world to use as a database for further research and other works.
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Dimensionamiento de un nuevo concentrador parabólico compuesto (CPC) con doble absorbedor de un colector lineal fresnel (LFC), aplicado como caso de estudio en la comunidad Alto Andina de Pilpichaca en la región Huancavelica sobre 4000 MSNM
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-09-27) Dolorier Castillo, Carlos Augusto; García Bustamante, Henry
En el presente trabajo de Tesis se desarrolla el dimensionamiento y evaluación simulada de un nuevo Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) de un Colector Lineal Fresnel (LFC), que tiene la característica de operar con 2 tuberías de absorción en lugar de una como en el modelo estándar, particularidad que le da ventajas ópticas, térmicas y proyección a mejores prestaciones operativas, por su disposición como tubería continua preparada para recirculación. El estudio de sus posibilidades energéticas de servicio, se centra en la localidad altoandina de Pilpichaca ubicada en el departamento de Huancavelica en la serranía del Perú, poseedora de un alto potencial solar pero de climatología fría por la gran altitud de su localización geográfica. De manera introductoria se presentan los aspectos generales de la tecnología de los LFCs y de los CPCs señalando sus características y su desarrollo actual. En el capítulo 1, se abordan los conceptos teóricos necesarios para el diseño y el análisis posterior, se exponen las ecuaciones implicadas, para el tratamiento de temas como: Geometría y Óptica solar, Transferencia de Calor y Masa y Termodinámica Aplicada, para hallar los resultados que servirán para medir el performance operativo del nuevo CPC propuesto como solución técnica. En el capítulo 2, se expone la metodología que será aplicada para realizar el pre dimensionamiento, análisis, evaluación y validación del nuevo diseño de CPC, presentando la secuencia lógica del flujo de tareas necesarias. En el capítulo 3, se realiza la caracterización energética y climática de la zona Caso de Estudio, también se desarrolla la evaluación del recurso en términos de encontrar la radiación solar directa (DNI) del sitio para los meses estacionales del año, a partir de hallar los ángulos solares característicos y luego aplicar modelos matemáticos de distribución horaria de valoración. En este capítulo también se trata un aspecto importante que es el dimensionamiento básico del LFC en cuanto a la configuración de su Campo de Espejos y la altura eficiente de ubicación del CPC. En el capítulo 4, se realiza el dimensionamiento geométrico y óptico del CPC propuesto, fundamentado en las teorías de optimización de flujo y uniformidad de distribución, para ello se utiliza la técnica de Trazado de Rayos Ray-Tracing- Montecarlo, a través de un software especializado de cálculo numérico, probando varios arreglos de CPCs y realizando contrastación de logros energéticos, esta tarea luego se extiende al modelo estándar para hallar las ventajas ópticas definitivas de la nueva propuesta. En el capítulo 5, se desarrolla el Balance Energético en las Tuberías de Absorción del nuevo CPC, para ello se configura una matriz climática de la zona, para hacerla interactuar con las propiedades térmicas de los materiales a través del modelo matemático de ecuaciones de conservación de masa y energía, y obtener los resultados de los rendimientos alcanzados por la instalación, bajo las Leyes de la Termodinámica. En el capítulo 6, se hace la discusión de los resultados obtenidos y sus implicancias sobre los logros alcanzados por el nuevo diseño de CPC frente al modelo estándar, haciendo las aclaraciones relevantes sobre los puntos más sensibles encontrados. Finalmente se concluye el estudio, validando la ventajas técnicas alcanzadas por el nuevo diseño de CPC en el aprovechamiento solar como energía de calor para procesos, para las aplicaciones identificadas como brecha energética, y otras actividades de fomento de desarrollo socioeconómico para la comunidad usuaria, al término se realizan las recomendaciones sobre puntos de atención sobre el tema y futuros trabajos a ser tratados.
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Optimización energética en la ampliación de capacidad de un sistema de transporte de líquidos de gas natural
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-10-01) Rodas Alarcón, Jerson; Dávila Tapia, Segundo Feliberto
El transporte de hidrocarburos por ductos requiere considerables consumos de energía para compensar las pérdidas de las mismas debido a la fricción y variaciones de altura a lo largo de la tubería. Es así que el consumo energético se convierte en el principal gasto operativo de un sistema de transporte y una optimización energética repercutirá significativamente en ahorros económicos para la empresa transportista. La presente tesis plantea la optimización energética en un sistema de transporte de líquidos de gas natural con características particulares en altimetría, consumo de energía de bombeo y uso de reductores de fricción. El análisis de basa principalmente en una evaluación y ajuste de los siguientes parámetros: - Consumo de energía de bombeo. - Concentración de reductores de fricción. - Presiones de operación de las estaciones de bombeo. - Configuraciones de estaciones de bombeo de acuerdo al régimen de transporte. Para realizar dicho análisis es necesario modelar el efecto de los reductores de fricción en la tubería y cómo afecta éste en la potencia de bombeo requerida del sistema. El estudio permitirá estimar una optimización energética para un sistema de transporte de líquidos de gas natural y consecuentemente poder reducir los costos asociados a la operación del ducto.
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Simulación numérica de un flujo de agua a través de una válvula tipo mariposa de doble excentricidad
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-11-18) Villarroel Quinde, Luis Felipe; Roth Kliem, Miriam
Las válvulas mariposa son componentes muy utilizados para el transporte de fluidos a través de tuberías. Dentro de estas válvulas, destacan las válvulas mariposas de doble excentricidad por tener ciertas ventajas como por ejemplo la reducción del desgaste de su sellado en comparación con las válvulas mariposas clásicas. Sin embargo, su asimetría origina un comportamiento más crítico en cuanto a las características hidráulicas del flujo, como son: la pérdida de carga, la distorsión del perfil de velocidades y el riesgo a la cavitación. Como es usual utilizar estas válvulas para control on-off de flujos, se desean bajas pérdidas de carga en su posición totalmente abierta. Cuando estas válvulas se sitúan directamente en el ingreso de turbomáquinas, es importante conocer el grado de distorsión del perfil de velocidades que entra en la máquina ya que ésto modifica los ángulos de ataque del flujo con los álabes y con ello el punto de operación. Y si se opera con presiones bajas también se debe considerar el riesgo de cavitación en partes de la válvula donde se eleve localmente la velocidad. Son estas tres características las que se estudiarán en una válvula mariposa previamente diseñada en la PUCP, con el fin de mejorar la geometría original y con ello su comportamiento hidráulico. Idealmente, se deben realizar ensayos experimentales para conocer el comportamiento hidráulico, pero estos métodos generalmente resultan muy costosos. Una alternativa utilizada hoy en día para la optimización de productos es el estudio computacional CFD (Computational Fluid Dynamics) el cual tiene ciertas ventajas, ya que entrega la información de todos los puntos del dominio y permite realizar cambios en la geometría o en el flujo de forma rápida y menos costosa. En el presente trabajo se realiza el análisis CFD de una válvula mariposa de doble excentricidad con un diámetro nominal de 610mm, en posición completamente abierta con un caudal aproximado de agua de 1 m3/s a 10ºC lo que implica una velocidad media en la tubería de aproximadamente 3.5 m/s. Para ello se utilizó el programa ANSYS CFX 14.0 y se empleó el modelo de turbulencia SST. Luego, se realizó una modificación del diseño original para obtener un diseño alternativo el cual es incluso un 2% más ligero. Lo más importante fue que se consiguió una reducción del 38.3% del coeficiente de pérdidas del diseño original y se aumentó un 40.4% la resistencia a la cavitación del diseño original. Sin embargo, al igual que en el diseño original, el flujo recién comienza a recuperar la forma que tenía antes de ingresar a la válvula después de 14 diámetros nominales aguas abajo de la misma.