Optimización basada en la dinámica de fluidos computacional de una turbina hidráulica para recursos de baja carga

Abstract

Hydraulic energy is the renewable energy source that has generated the most electricity throughout history. There are different types of hydroelectric power plants, depending on their generation capacity. Macro-hydroelectric power plants, which generate a large amount of energy, have complex systems that include civil works, such as dams, and hydraulic turbines. However, there is a large number of low-head water resources that have not yet been exploited due to the lack of technology capable of extracting a large amount of energy from these resources. Industries such as wastewater treatment use water as a raw material and working fluid. Wastewater treatment plants demand a high energy consumption, from pumping water to the machinery used for treatment. For this reason, wastewater treatment plants are a subject of study to recover energy from the implementation of micro-hydroelectric power plants. Recently, some research has tried to implement micro-hydroelectric power plants. However, their efficiency has not been as high as that of macro-hydroelectric power plants. In this study, the design of a hydraulic turbine is presented based on the amount of energy available in a wastewater treatment plant. The study considers the behavior of the flow rate of the water resource over a period of time. Next, the hydraulic turbine is dimensioned. Then, a parameterized virtual model of the set is created: inlet pipe, hydraulic turbine, and diffuser. For this, computational fluid dynamics (CFD) numerical models are used. Finally, a routine is adapted that automatically links several software to optimize the configuration of the inlet pipe, turbine, and diffuser, with the objective of maximizing the conversion of hydraulic energy to mechanical energy.

La energía hidráulica es la fuente de energía renovable que más electricidad ha generado a lo largo de la historia. Existen diferentes tipos de centrales hidroeléctricas, dependiendo de su capacidad de generación. Las centrales macro-hidroeléctricas, que generan una gran cantidad de energía, tienen sistemas complejos que incluyen obras civiles, como presas, y turbinas hidráulicas. Sin embargo, existen un gran número de recursos hídricos de baja carga que aún no han sido explotados debido a la falta de tecnología capaz de extraer una gran cantidad de energía de estos recursos. Industrias como la del tratamiento de aguas residuales utilizan el agua como materia prima y fluido de trabajo. Las plantas tratadoras de aguas residuales demandan un gran consumo de energía, desde el bombeo del agua hasta la maquinaria utilizada para el tratamiento. Por esta razón, las plantas tratadoras de aguas residuales son un objeto de estudio para recuperar energía a partir de la implementación de centrales microhidroeléctricas. Recientemente, algunas investigaciones han intentado implementar centrales microhidroeléctricas. Sin embargo, su eficiencia no ha sido tan alta como la de las centrales macro-hidroeléctricas. En este estudio, se presenta el diseño de una turbina hidráulica basada en la cantidad de energía disponible en una planta tratadora de aguas residuales. El estudio considera el comportamiento del caudal del recurso hídrico a lo largo de un periodo de tiempo. A continuación, se realiza el dimensionamiento de la turbina hidráulica. Luego, se crea un modelo virtual parametrizado del conjunto: tubo de entrada, turbina hidráulica y difusor. Para ello, se utilizan modelos numéricos de dinámica de fluidos computacional (CFD). Finalmente, se adapta una rutina que enlaza automáticamente varios softwares para optimizar la configuración del tubo de entrada, la turbina y el difusor, con el objetivo de maximizar la conversión de energía hidráulica a mecánica.