viernes, 16 de agosto de 2019

Patricio Valdés Marín



IMPORTANTE

Las tecnologías MILENIO son aquellas que serán útiles para vivir en el Milenio, que será la época que vendrá después de la Tercera Guerra Mundial, los Tres Días de Oscuridad y la Parusía. El Milenio ha sido descrito en numerosas profecías, que concuerdan que será una época humana de gran felicidad, abundancia y paz. Habrá desaparecido el individualismo y sería remplazado por la comunidad. Dejará de existir privilegios, dinero, bancos, mercado, consumismo, comercio, propiedad privada (que produzca rentas, utilidades o intereses, pero habrá propiedad personal), grandes concentraciones urbanas, electricidad, aparatos electrónicos, industrialización, agricultura industrial, división de clases, salarios, televisión, propaganda, manipulación de las mentes, Estado-nación, ejércitos. La tierra será fértil y todo habrá sido regenerado. La gente vivirá del trabajo de la tierra y lo producido será compartido. La actividad productiva principal será el cultivo familiar de la tierra y surgirán industrias artesanales. (ver: https://unihum2016parte3.blogspot.cl).
Previendo dicha época se ha recopilado algunos conocimientos que  serán requeridos entonces pero que no estarán disponibles a causa de que no existirá el Internet. En consecuencia, si crees que la información de los enlaces de esta página te va a servir, te será conveniente que la imprimas y la guardes. También provéete de semillas de hortalizas, legumbres y frutales, herramientas de cultivo, mecánicas y de carpintería.


Manual de horticultura: https://unihummilenio1.blogspot.cl
Manual de fruticultura: https://unihummilenio2.blogspot.cl
Manual de deshidratación solar: https://unihummilenio3.blogspot.cl 
Manual de invernaderos: https://unihummilenio4.blogspot.cl
Manual de sistema constructivo: https://unihummilenio5.blogspot.cl
Manual de industrias artesanales: https://unihummilenio6.blogspot.cl
Manual de industrias artesanales II: https://unihummilenio7.blogspot.cl
Manual de máquinas eólicas: https://unihummilenio8.blogspot.cl
Manual de granja familiar: https://unihummilenio9.blogspot.cl




Las máquinas a las que se refiere este manual transforman la energía del viento en energía mecánica


CONTENIDO

I. Molino de viento
II. Vela para impulsar vehículo o embarcación



II. MOLINO DE VIENTO  



A. CÁLCULO DEL MOLINO DE VIENTO


EJEMPLO
(Matemática básica)







1. Parámetros determinados


Densidad del aire, d
1,225
kg/m³

Densidad del agua, dw
1
kg/lt

Aceleración, g
9,8
m/s²

Ley de Betz, factor p
0,59






2. Parámetros  variables



Velocidad del viento, vv
5
m/s

Velocidad del viento, vv
13,9
km/h

Velocidad viento máxima, vm
25
m/s

Velocidad viento máxima, vm
69,4
km/h

Promedio de viento diario, pv
0,25
día

Eficiencia de bombeo, e
0,8


Desplazamiento del eje, L
0,07
m

Tasa riego agrícola, tr
0,7
lt/s/Há día




3. Determinación de la altura, H
FÓRMULAS
Profundidad de pozo
4
m

Altura estanque elevado
5
m

Diferencia de nivel
7
m

Pérdida de carga
2
m

Total H
18
m





4. Determinación del caudal, Q


Riego de 2000 m², rg
0,56
lt/s
rg = tr / (á pv)
Consumo, cd = 500 lt/día
0,0231
lt/s
cd = 500 / (pv 3600)
Total Q
0,583
lt/s

Q por medio ciclo
0,292
lt/s





5. Determinación de la potencia, Pb


CV = 75 kg m / s
0,858
CV
Pb = Q H dw g / 75 e




6. Determinación de la hélice


Área, Áh
6,921
Áh = Pb g / 2 d vv³ c p (1-p)²
Lado del octógono, l
1,2
m
l = √Áh / 4,83
Apotema del octógono, ap
1,45
m
ap = l / 0,83
Diámetro del octógono, Do
3,1
m
Do = 2 √Áh/2 √2
Radio del octógono, Ro
1,55
m
Ro = Do / 2
Radio de trabajo, rt
1,085
m
rt = 0,7 R
Perímetro de trabajo, pt
6,8173

pt = 2 rt π
Ciclos con aspa a 45°, cc
81,807
RPM
cc = pt/vv
Ciclos con aspa a 45°, cc
1,363
RPS
cc = pt/vv 60




7. Determinación de la bomba hidráulica

Relación eje/manivela, em
0,3


Largo manivela, lm
0,021
m
lm = em L
Empuje del eje, pe
27,84
kg
pe = Pb cc / 2 lm
Área del pistón, Áb
41,71
cm²
Áb = Q / L
Diámetro del pistón, Db
7,3
cm
Db = 2 √Áb/π
Volumen, Vh
292
cm³
Vh = Áb L




8. Factores para calcular una bomba neumática, bn
Compresibilidad de los gases de Boyle
P1 V1 = P2 V2
Atmósfera (presión)
10,33
m.c.a.

Agua/Aire
816


Ampliación de ciclos
11


Medidas  de cilindro, h x diam
30x30
cm
bn = Vh/(h r² π (RPS x 11)/816)




9. Cálculo de resistencia



Empuje axial viento, Tv
10,46
kg
Tv = 2 Áh d vv² p(1-p)/g
Empuje axial viento máx., Tm
261,59
kg
Tm = 2 Áh d vm² p(1-p)/g



B. ILUSTRACIONES



C. SUGERENCIAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL MOLINO DE VIENTO



1. Hélice

En general, la hélice se compone de aspas y un eje horizontal. Las aspas son de tela que se afirman en dos conjuntos de forma de estrella de rayos paralelos, coincidentes y separados. Cada conjunto de rayos se insertan en sendas masas que van firmemente adosadas al eje horizontal. Las masas pueden ser de madera o de metal. El eje horizontal se prolonga en un cigüeñal que se fija a la caja de transmisión.

Los rayos se construyen de perfil tubular, madera o coligüe. Puestos que van de a pares, para darles mayor solidez, unir los extremos exteriores y usar tirantes de alambre en las diagonales del rectángulo que conforman. La separación entre ambos conjuntos de rayos (barlovento y sotavento) es la mitad del largo de los rayos. La hélice puede constar de 6 (hexágono) ú 8 pares de rayos (octógono). El eje horizontal, las masas y los rayos constituyen el esqueleto de la hélice.

            Las aspas de la hélice se construyen extendiendo tela entre un rayo de barlovento al rayo siguiente a sotavento. Puesto que la distancia en el radio del centro de la tela es menor que la de los rayos, la tela deberá plisarse algunas veces para recoger radialmente la tela sobrante, hasta quedar tensa al ser afianzada en los rayos respectivos. El borde de la tela que se fija al rayo puede tener la forma de funda, dentro de la cual se dispone el rayo. Podrá usarse cualquier tipo de tela, aunque la preferida es la lona cruda. Además de resistente, este tipo de lona, una vez fijada como aspa, puede mojarse: cuando se seca se contrae un tanto y el aspa quedará tersa. Para evitar que la tela se pudra, se la puede pintar con esmalte sintético. El mismo procedimiento sirve para el timón.

2. Transmisión

            Usar preferentemente piezas de acero a causa del esfuerzo que deberá resistir. La transmisión consiste de una caja, un cigüeñal, un par de bielas paralelas y un enganche al eje vertical oscilante. El radio de la manivela del cigüeñal deberá ser menos de la mitad de las bielas. El diámetro que proyecta la manivela tiene la longitud L, que es igual a la oscilación del eje vertical y del pistón de la bomba hidráulica.

3. Timón

            El timón es un plano rectangular y vertical que se proyecta hacia barlovento. Se puede construir de un bastidor tubular, de madera o de coligüe que se cubre de tela. El borde a barlovento se afianza al borde exterior a sotavento de la caja de transmisión mediante un sistema de bisagra. El timón tiene firmemente dos posiciones fijas pero que pueden variarse desde el suelo: 1. perpendicular a la hélice y 2. paralela a ésta o en posición bandera. Esta maniobra puede ejecutarse mediante un cable delgado para abrir un pestillo que fija la posición y un par de cables que hagan girar el timón a la posición deseada.

4. Torre

El molino de viento deberá colocarse en altura, a unos 6 metros del suelo, donde el viento es más estable y fuerte. La torre puede ser confeccionada de metal o madera. Puede tener tirantes de cable para hacerla más resistente a los vientos fuertes. El centro vertical de la torre debe quedar libre para la oscilación del eje vertical. Si existiese pandeo de dicho eje, este efecto puede evitarse mediante travesaños horizontales que tengan un buje holgado del diámetro del eje vertical. La torre debe ubicarse sobre la fuente de agua.

5. Bomba de agua o hidráulica

            Debe estar a plomo debajo del molino de viento y quedar sumergida completamente. Consiste en un cilindro dentro del cual se desplaza un pistón accionado mediante un vástago del eje vertical. Tanto este vástago redondo como el borde de contacto del pistón con el cilindro deben contener sellos que no ofrezcan roce apreciable cuando se desplazan. El desplazamiento debe ser igual a la longitud L. Cada extremo del cilindro lleva dos válvulas de retención inversas. Las válvulas que permiten sólo la salida del agua en cada extremo del cilindro se unen a la tubería de agua que conduce el agua fuera hacia el consumo, que es el estanque elevado. Las otras dos válvulas de retención, que permiten sólo el ingreso de agua deben permanecer siempre dentro del agua.

6. Sistema hidroneumático

            Si bien el compresor deberá ubicarse adyacente a la polea menor mediante manivela y biela, la ventaja de este sistema es que la bomba hidroneumática puede ubicarse lejos del molino de viento, ya que el aire virtualmente no pesa. Por carecer antecedentes experimentales, no se ha podido efectuar un método de cálculo detallado, siendo la duda la mayor velocidad que deberá imprimirse al pistón del compresor. Puesto que según el diseño descrito, la bomba hidroneumática es de una acción, se deberá añadir un tanque neumático para acumular aire comprimido mientras aquella está en su ciclo de rellenado de agua.




II. VELA PARA IMPULSAR VEHÍCULO O EMBARCACIÓN



Previsiblemente, nuestra era, sustentada en la abundancia de energía provista por los combustibles fósiles, no podrá durar más. Frente a la imposibilidad para extraer y distribuir estos combustibles, los motores que mueven nuestro sistema de vida quedarán detenidos. Una buena fuente alternativa de propulsión es la energía eólica. Por otra parte, las extensas y pavimentadas carreteras permanecerán sin tráfico alguno y los mares quedarán sin navíos. Será la oportunidad para transformar vehículos y embarcaciones a motor en eólicos. En el caso de un vehículo, habrá que aligerarlo sacándole el motor y la carrocería e instalarle velas cuya altura no podrá superar 4 metros para poder pasar debajo de los pasos sobre nivel. En el caso de embarcaciones, se podrá dotarlas de velamen. El siguiente manual se concentra en el diseño y el control teórico de un vehículo/embarcación eólico, cediendo a personas con habilidades mecánicas el aporte de soluciones practicables.

El viento es un recurso que se distribuye irregularmente en el mundo. Mientras que existen amplios territorios donde el viento escasea, en otros lugares los vientos son intensos, siendo las superficies planas, marítimas y lacustres, donde el aire se desplaza sin obstáculos. Además, en algunos lugares los vientos varían mucho según las estaciones, siendo fuertes durante algunos meses y nulos en otros, y diariamente, el viento varía cada hora. Habrá que considerar esta variabilidad de este recurso energético. Asimismo, un vehículo no puede seguir un rumbo que sea favorable a los vientos, sino que está obligado a proseguir por las vueltas de una carretera, algunas contrarias al viento.

Se sugiere que en la transformación de un vehículo con tracción trasera su árbol de transmisión pueda ser girado mediante una palanca manual de oscilación longitudinal (más conveniente fisiológicamente mediante manivela-biela-par de engranajes cónicos-palanca para desplazar el vehículo cuando el viento se vuelve adverso o nulo. Además, este mecanismo debe poder activarse o desactivarse a voluntad mediante algún tipo de mecanismo como embrague.


1. Cuadrante para ir manualmente posicionando la vela según el ángulo óptimo


Es importante para esta tecnología eólica el control del ángulo óptimo de la vela. Hay que tener en cuenta dos direcciones: la dirección del vehículo/embarcación y la dirección del viento; y ambas cambian incesantemente, ya sea el vehículo/embarcación siguiendo una carretera o la ruta más conveniente, ya sea el viento comportándose por su cuenta sin previo aviso. La vela tiene que ser comandada permanentemente para obtener el ángulo óptimo que permita transformar la fuerza cinética del viento en la máxima fuerza de desplazamiento del vehículo/embarcación. El ángulo óptimo depende de la dirección del vehículo/embarcación y del viento. Así, el ángulo óptimo es la bisectriz del ángulo formado por la dirección del vehículo/embarcación y la dirección del viento






Se puede observar que el ángulo óptimo, que está a 90° del ángulo de la cuerda de la vela, tiene el valor de la mitad del ángulo del viento. Así, el ángulo óptimo es la bisectriz del ángulo del viento referido a la dirección del vehículo/embarcación. El eje del “control manual del ángulo óptimo es operado por un manubrio al que se adosa una polea en torno a la cual se enrolla un rollo de la cuerda que controla la dirección de la(s) vela(s). El eje de la veleta es gobernada por la veleta a través de cuerda y polea. Consiguientemente, el control de la vela para que coincida con el ángulo óptimo que va señalando continuamente la veleta en un vehículo terrestre y que, a falta de motores, se efectúa manualmente, obliga a que su tripulación sea de dos personas. Una persona dedicada permanentemente en guiar el vehículo por la carretera y la otra en ajustar la vela al ángulo óptimo. Al parecer, en una embarcación del tamaño que sea, que sigue trayectos más estables que un vehículo terrestre, basta que tenga solo tres tripulantes si se consideran los turnos diarios.


2. Fuerzas que resultan de la relación curso del vehículo/ embarcación, dirección del viento y posicionamiento de la vela


La figura 2 ilustra el ángulo óptimo de la vela en relación con la dirección del viento y del vehículo/embarcación.



Dónde:
d es la dirección o desplazamiento del vehículo/embarcación
v es la dirección del viento
α es el ángulo formado por d y v
b es la bisectriz del ángulo α, es el ángulo recto de la cuerda de la vela y es el ángulo óptimo
k es la fuerza lateral ejercida sobre los obenques y sobre la estabilidad del vehículo embarcaci
f es la fuerza resultante en la dirección d


3. Cálculo


La Tabla 1 muestra el ángulo óptimo de la cuerda de la vela en relación a la dirección del vehículo/embarcación en diferentes ángulos del viento también en relación a dicha dirección. La importancia de esta tabla es que con sólo la información de la dirección del viento la vela se puede posicionar en su ángulo óptimo. Esta tabla también se puede aplicar a los veleros para ajustar automáticamente sus velas en sus ángulos óptimos.

TABLA 1 - DIRECCIÓN DE LA VELA = 0º; ÁNGULO ÓPTIMO DE LA VELA EN FIG. 2, Y FACTORES DE LAS FUERZAS f Y k
ÁNGULOS, EN GRADOS



Viento,vv
        Vela
    Δ = α
b = sen α
f = sen β
          k
0
90
-90
1
1
0,26
30
105
-75
0,966
0,933
0,59
60
120
-60
0,766
0,587
0,51
90
135
-45
0,574
0,329
0,28
120
150
-30
0,5
0,25
0,43
150
165
-15
0,259
0,067
0,26
180
180
0
0
0
0
                                                                      

TABLA 2 – POTENCIA GENERADA POR LA VELA
1. Parámetros determinados

Densidad del aire, d
1,225
kg/m³
Aceleración, g
9,8
m/s²
Ley de Betz, p
0,59

CV
75
kgm/s
Conversión kgm/s, c
0,0098
kW
Conversión CV
0,7355
kW



2. Parámetros variables


Velocidad del viento, vv
5
m/s
Velocidad del viento, vv
13,9
km/h
Velocidad viento máxima, vm
25
m/s
Velocidad viento máxima, vm
69,4
km/h
Promedio de viento diario, pv
0,25
día
Altura de la vela, h
6
m
Ancho de la vela, a
2,5
m
Cantidad de velas, q
3




3. Cálculo del área, Á
15



4. Cálculo de la potencia


P = 2 q Á vv² p (1 - p)² / 75
3,645
CV



5. Empuje axial del viento


T = 2 Á d vm² p (1 - p) /  g
566,95
kg
Deberán ser suficientes estas dos ecuaciones para calcular la construcción y el comportamiento del vehículo/embarcación que se desee fabricar. Además, para calcular la potencia de la vela según su posición en relación al viento, aquella deberá ser multiplicada por el factor b (sen α), y si se quiere calcular la potencia del vehículo según la posición de la vela, deberá adicionalmente ser multiplicada por el factor f (sen β).


4. Pautas para la construcción del vehículo/embarcación a vela


















Puede usarse cualquier tipo de vela. En este diseño, la vela es rígida y funciona por ambas caras, y como un ala de avión, para ser más aerodinámico su perfil puede ser cambiado por la modificación de sus bordes de ataque y salida. Esta modificación le da a la vela un mejor rendimiento aerodinámico, similar al ala de un avión o a una vela de lona cuyo tejido es cortado y cosido de acuerdo a las formas aerodinámicas. Un ala rígida se construye en base de largeros y costillas, y como cubierta se usa planchas metálicas o plásticas (cincadas, aluminio, fibra de vidrio) o cualquier otro material disponible que sea liviano y resistente al aire marino. Una ventaja adicional es que la vela pivota en su centro vertical, de manera que el esfuerzo es mínimo para cambiarla de posición. Por el contrario, la botavara de una vela cangreja, latina o tarquina requiere gran esfuerzo para sostenerla. Una vela cuadra no es utilizable por amabas caras. El único requisito es que los bordes de la vela de este diseño cambien al pasar de una banda a la otra.