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

Abstract

[SPA] 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. [ENG] Energy consumed by the water industry is not negligible and improvements on energy efficiency in water distribution networks are still needed. This research work aimed to provide a new approach to design tailored torpedo shaped in-pipe axial pico-hydraulic turbines for the recovery of energy in water distribution networks. To improve over works found on the literature and bibliography ideal flow bi-dimensional cascade theory with Weinel isolated airfoil to cascade correlations were used as compromise between accuracy and simplicity. From it, a dimensionless design chart was built. A novel flow-to-head factor was chosen as main dimensionless factor to simplify stator analysis allowing for more compact chart. Simple straight untwisted blades with arc of circles profiles were imposed to simplify manufacturing. From five usual input design parameters, choosing the value of three, and letting two of them to vary allowed the trace of the space of all optimal designs. From this space, a turbine or family of turbines can be obtained. Representative comercial and open source software for CFD workflow was explored and tested. Shortcomings were found for CAD and quality mesh- ing for tested open source software. A mesh parametric study for numerical validation and uncertainty characterization with a hybrid software’s license approach was made. Open source Salome platform v9, comercial Ansys TurboGrid v17 and open source library OpenFOAM v8 were used for meshing and simulation. The maximum discretization uncertainty found for the selected mesh was about 2 %. Developed meshing and simulation criteria were satisfactory and used for the follow-up designs. A comparative study was made to test the method. A design example and a design following a method from the bibliography were carried over and simulated on the same conditions as a experimentally tested turbine found in the literature. The design example showed better performance curves on the maximum efficiency plateu giving a maximum hydraulic efficiency of 63 %. A design algorithm and selection criteria for electric components were developed from the analysis of dimensionless hydraulic-electric coupled system to charge batteries using energy recovered from the water distribution net- works. These were applied to an industrial case for the recovery of energy on the water network of the city of Murcia. A pico-hydraulic turbine was designed and electric components of the system were simultaneously selected for optimal operation in coupled state. Simulations were carried over and dimensionless curves and operational maps were made, showing that the coupled system met the requirements of the industrial case. The developed non-dimensional approach proved to be useful to design efficient tailored simple pico-hydraulic turbines with optimal hydraulic-electric coupled systems for energy recovery in distribution water networks, relaying on one dimensionless design chart.