Modelamiento fluidodinámico de turbina en base a tornillo de Arquímedes en relaves mineros

Abstract

El tema a tratar en este trabajo de título corresponde al modelamiento fluidodinámico de una turbina en base al tornillo de Arquímedes que opere con relaves. Este trabajo está orientado a realizar un análisis por volúmenes finitos a una porción del fluido entre los álabes de la turbina, con el propósito de aprovechar eficientemente el recurso hidráulico disponible. Este tema está motivado principalmente por la búsqueda de nuevas fuentes de energía eléctrica limpia y rentable. El objetivo general de este trabajo de título es realizar un modelamiento fluido dinámico de una turbina en base al tornillo de Arquímedes (sinfín), con el fin de determinar la potencia máxima de generación en función de la RPM, para un caudal de relaves que transitan por un canal rectangular. Como objetivos específicos se tienen: elaborar un modelo basado en un volumen de control para determinar potencia; analizar la dependencia de la potencia respecto de la velocidad de rotación; desarrollar un modelo en CFD, para determinar esfuerzos sobre los álabe, carcasa y eje, calcular torque en turbina usando agua como fluido de trabajo; determinar revoluciones adecuadas para mejorar potencia; y modelar el comportamiento del relave en espacio entre álabes. La metodología cuenta como primera etapa la recopilación y análisis de los desarrollos actuales del tornillo de Arquímedes utilizado como turbina. También se analizan antecedentes de la turbina operando con agua, sus dimensiones y condiciones de operación. Posteriormente se implementa un modelo computacional usando volúmenes finitos en el software Ansys para determinar el comportamiento de un cubo de agua y su influencia sobre la potencia total de tornillo, tanto para la operación con agua como para la operación con relaves,. Los resultados de este análisis entregan las revoluciones adecuadas para lograr el máximo provecho del recurso. Como resultados se obtienen los esfuerzos de presión y de corte sobre todas las caras del volumen, se registra una disminución del momento total a medida que aumentan las revoluciones de operación. La componente del momento debido a la presión en el álabe inferior es la encargada de transmitir la mayor cantidad de momento al eje y esta depende mayormente del peso del fluido, Los esfuerzos de corte que se generan en la superficie del volumen se oponen al movimiento del mismo y este comportamiento se intensifica a medida que aumentan las revoluciones. Las conclusiones de este trabajo reflejan que en el caso de maximizar potencia son predominantes las revoluciones de operación por sobre los esfuerzos viscosos que se oponen al movimiento de la turbina. La máxima RPM posible para el caudal disponible del canal de relave es 10RPM.