Diseño y validación de una turbina de flujo cruzado fabricada con polímero reciclado para la generación de energía renovable en viviendas rurales: un estudio de caso en la vereda San Rafael, La Ceja, Antioquia
La energía desempeña un papel crucial en el crecimiento económico a nivel mundial, ya que los avances tecnológicos dependen directamente de la accesibilidad a este recurso. No obstante, garantizar el suministro de energía a la población mundial representa un desafío considerable, dado que los recurs...
- Autores:
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Muñoz Mejía, Edwin
- Tipo de recurso:
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Instituto Tecnológico Metropolitano
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- Repositorio ITM
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- Acceso en línea:
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- Palabra clave:
- Energía Renovable, Caudal, Pequeña Central Hidroeléctrica, Turbina Ossberger, Desarrollo Sostenible, Zonas No Interconectadas
1. Ciencias Naturales::1E. Ciencias de la tierra y medioambientales
ODS 6: Agua limpia y saneamiento. Garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos
ODS 7: Energía asequible y no contaminante. Garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos
ODS 3: Salud y bienestar. Garantizar una vida sana y promover el bienestar de todos a todas las edades
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Diseño y validación de una turbina de flujo cruzado fabricada con polímero reciclado para la generación de energía renovable en viviendas rurales: un estudio de caso en la vereda San Rafael, La Ceja, Antioquia Energía Renovable, Caudal, Pequeña Central Hidroeléctrica, Turbina Ossberger, Desarrollo Sostenible, Zonas No Interconectadas 1. Ciencias Naturales::1E. Ciencias de la tierra y medioambientales ODS 6: Agua limpia y saneamiento. Garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos ODS 7: Energía asequible y no contaminante. Garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos ODS 3: Salud y bienestar. Garantizar una vida sana y promover el bienestar de todos a todas las edades |
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La energía desempeña un papel crucial en el crecimiento económico a nivel mundial, ya que los avances tecnológicos dependen directamente de la accesibilidad a este recurso. No obstante, garantizar el suministro de energía a la población mundial representa un desafío considerable, dado que los recursos y el medio ambiente son finitos y están siendo explotados en gran medida. Numerosas comunidades en países en desarrollo están trabajando en la generación de energía renovable para áreas no interconectadas. Este enfoque no solo mitiga el calentamiento global, sino que también previene el agotamiento de los recursos utilizados en la generación de energías convencionales. El objetivo principal de esta investigación es diseñar una turbina de flujo cruzado destinada a viviendas rurales, construida con polímero reciclado (HDPE), para la generación de energía renovable. Para lograr este objetivo, se realizará un análisis de las condiciones hidrológicas convencionales, incluyendo la medición de caudal y altura en el sitio. Este análisis servirá como base para el diseño de una Pequeña Central Hidroeléctrica (PCH) en una vivienda rural de la vereda San Rafael, municipio de La Ceja, que cumpla con los criterios de construcción sostenible y que se adapte a las condiciones específicas del lugar. Finalmente, se validará el funcionamiento de un prototipo a escala de la turbina. Este prototipo será fabricado mediante tecnología de impresión 3D para confirmar su viabilidad y eficiencia en la generación de energía renovable |
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MEDICIÓN DE CAUDAL Y ALTURA 7 1.1 CONTEXTO 8 1.2 METODOLOGÍA Y RESULTADOS 11 1.2.1 Instrumentos y equipos utilizados para la medición de caudal 12 1.2.2 Resultados 13 1.3 ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS 17 1.4 CONSUMO ENERGÉTICO HOGAR RURAL 21 1.4.1 Parámetros de referencia nacional 21 1.4.2 Análisis del consumo de la vivienda estudiada 22 1.4.3 Validación con estándares nacionales 23 1.4.4 Dimensionamiento de la PCH 24 2. DISEÑO DE LA TURBINA 25 2.1 MATERIALES DE DISEÑO 27 2.1.1 Polietileno de alta densidad 28 2.1.2 Acero AISI SAE 1020 29 2.2 DISEÑO ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL 30 2.2.1 Cálculos 30 2.2.2 Diseño asistido por computador (CAD) 39 3. IMPRESIÓN 3D DEL PROTOTIPO 43 3.1 PREPARACIÓN DEL MODELO 47 3.2 PROCESO DE IMPRESIÓN 48 3.3 PROTOTIPO FUNCIONAL 53 3.3.1 Fabricación de la turbina 53 3.3.2 Fabricación del soporte y estructura 53 3.3.3 Elementos mecánicos y ensamble 53 4. PRUEBAS DE LABORATORIO 57 4.1 METODOLOGÍA DE PRUEBAS 58 4.1.1 Montaje experimental 58 4.1.2 Condiciones controladas 59 4.2 RESULTADOS 60 4.2.1 Primer ensayo: Una manguera de entrada (altura: 4 m) 60 4.2.2 Segundo ensayo: Doble manguera de entrada (altura: 6 m) 61 4.3 VIABILIDAD TÉCNICA 63 4.3.1 Ventajas del diseño propuesto 64 4.3.2 Datos clave de la demanda energética 65 4.3.3 Potencia generada con dos turbinas en serie 65 5. ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA 67 5.1 LCA DE LA TURBINA 68 5.1.1 Producción de materiales 68 5.1.2 Fabricación 69 5.1.3 Transporte 70 5.1.4 Uso 70 5.1.5 Fin de vida 71 5.2 AMBIENTE Y SOSTENIBILIDAD 71 5.3 ANÁLISIS ECONÓMICO 73 5.3.1 Cálculo de LCOE de la turbina propuesta 74 5.3.2 Comparación con alternativas tecnológicas 75 5.3.3 Tiempo de retorno de inversión 77 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 78 6.1 CONCLUSIONES 78 6.1.1 Condiciones hidrológicas 78 6.1.2 Diseño y materiales de la turbina 78 6.1.3 Fabricación y costo del prototipo 79 6.1.4 Desempeño energético 79 6.1.5 Impacto ambiental y social 79 6.1.6 Perspectivas futuras 79 6.1.7 Trabajos derivados 80 6.2 RECOMENDACIONES 82 7. BIBLIOGRAFIA 85Magíster en Desarrollo SostenibleMaestríaEnergy plays a crucial role in global economic growth, as technological progress is directly dependent on access to this resource. Nevertheless, ensuring a reliable energy supply for the world's population remains a considerable challenge, given that resources and the environment are finite and are being heavily exploited. Numerous communities in developing countries are working on renewable energy generation for non-interconnected areas. This approach not only mitigates global warming, but also prevents the depletion of resources used in conventional energy production. The main objective of this research is to design a crossflow turbine intended for rural households, fabricated from recycled polymer (HDPE), for renewable energy generation. To achieve this goal, an analysis of conventional hydrological conditions will be carried out, including site-specific measurements of flow rate and head. These analyses will underpin the design of a Small Hydroelectric Power Plant (SHP) for a rural dwelling in San Rafael, municipality of La Ceja, complying with sustainable construction criteria and tailored to the specific local conditions. Finally, the performance of a scaled prototype of the turbine will be validated. This prototype will be manufactured using 3D printing technology to confirm its feasibility and efficiency in renewable energy production.88 páginasapplication/pdfspaInstitución Universitaria ITMFacultad de Ciencias Exactas y AplicadasMaestría en Desarrollo SostenibleDepartamento de Ciencias Ambientales y de la Construcción::Maestría en Desarrollo SostenibleInstitución Universitaria ITMMedellin, Antioquia, ColombiaCampus RobledoDiseño y validación de una turbina de flujo cruzado fabricada con polímero reciclado para la generación de energía renovable en viviendas rurales: un estudio de caso en la vereda San Rafael, La Ceja, AntioquiaDiseño y validación de una turbina de flujo cruzado fabricada con polímero reciclado para la generación de energía renovable en viviendas rurales: un estudio de caso en la vereda San Rafael, La Ceja, AntioquiaTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TMhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85TextEnergía Renovable, Caudal, Pequeña Central Hidroeléctrica, Turbina Ossberger, Desarrollo Sostenible, Zonas No Interconectadas1. Ciencias Naturales::1E. Ciencias de la tierra y medioambientalesODS 6: Agua limpia y saneamiento. Garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todosODS 7: Energía asequible y no contaminante. Garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todosODS 3: Salud y bienestar. Garantizar una vida sana y promover el bienestar de todos a todas las edadesAntioquiaColombiaSan RafaelLa CejaPublicationORIGINALTesis de maestríaTesis de maestríaapplication/pdf2030828https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/77031583-fe4a-4674-8660-c47990e3556b/download6e12dde5079193901c2d584dc5932e02MD51trueAnonymousREADCarta de AutorizaciónCarta de Autorizaciónapplication/pdf153090https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/62e8b928-a3a4-4d45-aa28-b8649aa7273a/download197d235ce911bceda9acda1218926254MD52falseAnonymousREADLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81406https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/f5e3826f-5493-45be-90dc-91d028d283e9/download7734e4171dd7ba1c98e697a13b9e06ebMD55falseAnonymousREADTEXTTesis de maestría.txtTesis de maestría.txtExtracted texttext/plain103054https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/1c95d1f2-3c3f-4cf0-b84e-ae078aad55c9/downloadf77bafb11b96152ac03827d34fe0fcc1MD56falseAnonymousREADCarta de Autorización.txtCarta de Autorización.txtExtracted texttext/plain4702https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/b896f94a-3c84-40b8-b4c4-71e08c65f3b1/download8f2781c3d989eaab2b796ff15116f2deMD58falseAnonymousREADTHUMBNAILTesis de maestría.jpgTesis de maestría.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg10122https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/617a5df9-8dd5-4eb4-8e50-578088fb4506/downloadc10804b8931e4732458df4720ea5ad15MD57falseAnonymousREADCarta de Autorización.jpgCarta de Autorización.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg13656https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/33c5d4d4-a4aa-4685-a9a5-4e31f6eb7134/download26411b04d2089ac6eab80d9765f54f5eMD59falseAnonymousREAD20.500.12622/7960oai:repositorio.itm.edu.co:20.500.12622/79602025-10-18 03:00:19.369https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/open.accesshttps://repositorio.itm.edu.coRepositorio Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellínbdigital@metabiblioteca.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 |