UNIVERSIDAD DE LA FRONTERADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

PLANTAS DE FUERZA

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‘‘Ruedas Hidráulicas”

29 de Abril de 2015

Profesor : Rene Cifuentes B.Alumno : Adrián Macaya B.

RESUMEN

El presente informe dará una breve explicación de lo que es una rueda hidráulica, señalando su definición, clasificación, diseño, y un ejemplo de su uso en la actualidad

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INDICE

RESUMEN...............................................................................................................2

Objetivos..................................................................................................................4

Objetivo principal:.................................................................................................4

Objetivos específicos:...........................................................................................4

Que es una rueda hidráulica....................................................................................5

Ventajas y desventajas............................................................................................6

Ventajas:...............................................................................................................6

Desventajas:.........................................................................................................6

Tipos de ruedas hidráulicas.....................................................................................7

Ruedas de alimentación superior.........................................................................7

Alimentación por el costado..................................................................................8

Rueda de alimentación inferior.............................................................................9

Diseño de ruedas hidráulicas.................................................................................10

Alimentación superior.........................................................................................10

Diseño de cajoneras...........................................................................................11

Alimentación por el costado................................................................................12

Diseño de los cajones.........................................................................................13

Alimentación inferior...........................................................................................14

Utilización actual de la rueda hidráulica.................................................................14

Proyecto  Centre for Rural Technology, Nepal (CRT/N).....................................14

Conclusiones..........................................................................................................15

Bibliografía.............................................................................................................16

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Objetivos

Objetivo principal: Dar una breve descripción de las ruedas hidráulicas

Objetivos específicos:

Definir las ruedas hidráulicas

Dar referencias históricas

Clasificar los tipos de ruedas

Presentar fórmulas de diseño

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Que es una rueda hidráulica

Es un mecanismo que aprovecha la energía hidráulica presente en corrientes y/o saltos de agua, para obtener energía mecánica.

Es conocida por el hombre desde hace unos 5000 años. El pueblo sumerio sabemos históricamente, que disponía de molinos movidos por agua, también los griegos y los romanos emplearon estas ruedas.

La rueda hidráulica en un principio fue concebida como mecanismo elevador de agua quieta. Este ingenioso mecanismo supuso la primera liberación del hombre, con respecto al trabajo bruto, sin embargo y por su papel sustitutorio de mano de obra, su implantación estuvo muchas veces rodeada de controversia y retrasos en su aplicación. Fue en la Edad Media cuando el empleo de este invento se extendió de forma masiva a la mayor parte de oficios conocidos como: el de molinero, tejedor, herrero, serrador, etc.

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Ventajas y desventajas

Ventajas:

Fácil construcción, por lo que no se requiere de mano de obra especializada

Rendimiento aceptable a una admisión muy pequeña, por lo que es una opción factible para instalaciones pequeñas (caídas de 7 m) y potencias inferiores a los 30 HP

Económica respecto a los materiales se puede utilizar madera para su construcción

Desventajas:

Gran peso ,debido a su enorme diámetro

Revoluciones muy bajas, por lo que requiere de un mecanismo elevador de RPM

Regulación incompleta de velocidad, debido a que dependiendo del tipo de alimentación ocurren pérdidas inevitables de agua.

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Tipos de ruedas hidráulicas

Por la forma en que ingresa el agua a su circunferencia se pueden clasificar en:

Ruedas de alimentación superior

Como su nombre lo menciona el agua ingresa por arriba de la rueda con el objetivo de aprovechar el peso del agua (energía potencial) para obtener un mejor rendimiento de esta. En general se instala en la parte inferior una guarda con el fin de lograr que el agua permanezca el máximo tiempo posible en la cazoleta

Presenta rendimientos entre 60 a un 75 por ciento debido al aprovechamiento de la energía potencial del agua.

Al contrario de lo que se podría pensar, en épocas de sequias el rendimiento aumenta debido a que los cajones no se llenan completamente lo que ayuda a que no se derrame el agua mientras esta descendiendo. En cambio abundante agua significa derramamiento excesivo y dificultad de movimiento de la rueda.

Principalmente se usan para alturas de 2.4 a 22.5 m, caudales de 100 a 1000 litros por segundo

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Alimentación por el costado

Esta configuración se utiliza para aprovechar la energía cinética del fluido.

Principalmente se utilizan en alturas de 1 a 5 m y caudales de 150 a 2500 litros por segundo.

Presenta rendimientos de 65 a un 78 por ciento.

Utiliza un vertedero con el cual se busca controlar el ingreso de agua.

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Rueda de alimentación inferior

Esta utiliza el impacto que ocasiona el agua al chocar con las paletas.

De las tres es la de más fácil construcción, pero a la vez, presenta el rendimiento más bajo (25 a 35 por ciento).

Como condición para obtener un buen rendimiento el canal del agua debe ser más ancho que la paleta para garantizar el uso de toda la paleta.

Otras condiciones para obtener buen rendimiento es que la altura de las paletas debe ser el triple del espesor del canal y que la velocidad periférica debe ser 0.4 la del canal de agua

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Diseño de ruedas hidráulicas

Alimentación superior

Siendo v1 la velocidad periférica, esta debe ser de unos 0.75 m/s para diámetros pequeños y de unos 3 m/s para diámetros mayores.

La velocidad de entrada v debe estar a una proporción de 1.5 a 2 veces la velocidad periférica

El diámetro exterior (D) es la diferencia entre la altura total (h) y la altura útil de la caída (h1)

La altura útil (h1) se determina con la siguiente formula

(1)

Se considera un factor de sobredimensión de 1.1 para compensar pérdidas por derramamiento de fluido

El número de revoluciones se determina con la siguiente formula

(2)

El número de cajones (z) varía en 8 a 10 veces el diámetro de la rueda (D)

La profundidad del cajón (d) debe ser de 25 a 35 cm de profundidad

El ancho del cajón (b) se determina por:

(3)

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Diseño de cajoneras

Con el eje de la rueda como centro y un radio “R D/2”, trácese el arco

“C E”, que corte la parábola en “a”; de modo que “e” es la mitad del espesor de la capa de agua entrante, más el espesor del saetín, más el espacio entre éste y la corona. Haciendo centro en el mismo lugar, trácese el arco “F G” con el radio “R-d”. Esto da la circunferencia de la cara de la llanta de la rueda. Desde el punto “b” en que “F G” corta a la parábola “A B”, trácese la recta “A b” y señálese el punto “a’ ” en que ésta corta a “C E”. Con “b” como centro y “d” como radio, trácese el arco “m c” que corta a “F G” en “c” y trácese “c f”, que es una prolongación del radio de “F G”. Trácese el arco “a’ f”, cuyo centro se halla levantando una perpendicular en el punto medio de “a’ f” y cortándola desde “a’ “ o “f” con un radio

“Hágase , siendo “l” la distancia entre “a” y “a’ “; trácese “g h” paralela a “c f”, y, por último, únase la curva “a’ f” a la línea “g h” por medio de un arco cuyo radio sea igual a “l”, así “a’ g” es el contorno de una paleta. El paso “t se halla dividiendo la circunferencia de la rueda por el número de cajones. El paso “t” entre las paletas en el fondo de la llanta se obtiene dividiendo la circunferencia de la llanta por el número de cajones.

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Alimentación por el costado

En las ruedas de alimentación por el costado la velocidad periférica “v” es generalmente de 1 a 2 metros por segundo; el valor más conveniente del agua a la entrada que puede obtenerse es 1.25 metros, más o menos, por segundo. Como en las ruedas altas, la velocidad más conveniente del agua a la entrada oscila entre “1.5 v1” y “2 v1”. La profundidad “d” de los cajones varía entre 25 y 40 centímetros, el diámetro “D” de hace aproximadamente igual al doble de la caída total; el paso “t” puede ser igual a “d” o un poco más pequeño; y el ancho de la rueda se calcula entre

, (4)El ángulo formado por la dirección del agua que entra y el radio en el punto de entrada puede variar entre 10° y 25°.

Diseño de los cajones

Sea “A B”, la parábola que representa el eje de la lámina de agua al entrar en la rueda. Con un radio “R – 0,5d” trácese el arco “m n”, que debe ser casi tangente a “A B”, y descríbanse los arcos “a c” y “e b” que corresponden a los bordes interior y exterior de la corona. Partiendo de “A” trácese el radio “A f”, y desde el punto de intersección “g” de esta línea con el borde interior “b e” de la corona, trácese una recta “g k”, tangente a “b e”, por el punto “i”, en que “A B” corta a “m n”, trácese el radio “O P” y la recta “i j”, ésta formando ángulo de 30° con “O P”. En seguida, únanse “i j” y “g k” por medio de un arco cuyo radio sea “d/2”

Donde “t” es el paso o la distancia entre las paletas.

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Alimentación inferior

Las dimensiones más comunes de estas ruedas son: diámetro, 3 a 7.5 metros; paso entre las paletas, 0.3 a 0.4 metros; profundidad del agua en el canal de alimentación de la rueda, de 0.1 a 0.15 metros.

Utilización actual de la rueda hidráulica

Proyecto  Centre for Rural Technology, Nepal (CRT/N)

Se trata de un proyecto organizado por una ONG, para la instalación de ruedas hidráulicas de alto rendimiento con el fin de facilitar tareas cotidianas de una comunidad rural

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Conclusiones

Se ha planteado una breve definición de una rueda hidráulica señalando sus clasificaciones, referencias históricas y fórmulas de diseño.

Cabe mencionar que a pesar de que las ruedas hidráulicas fueron reemplazadas con turbinas de mejor rendimiento (Pelton, Francis, Kaplan) siguen siendo una alternativa viable si la instalación es pequeña.

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Bibliografía

LUIS FELIPE RAMÓN CHAMBA, “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ARIETE Y DE UNA RUEDA HIDRÁULICA PARA BOMBEO DE AGUA”, Sangolquí, 2005-Septiembre.

MÜLLER W., 1899a, Die eisernen Wasserräder: Atlas (The iron water wheels: technicaldrawings, in German), Veit & Comp., Leipzig.

MÜLLER W., 1939, Die Wasserräder (The water wheels, in German), Reprint of the 2 Ed., Moritz Schäfer Verlag, Detmold, 1991. Nd

Centre for Rural Technology, Nepal (CRT/N), 2014,” Improved Water Mill Development in Nepal”, Subarna Prasad Kapali.

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