UNA RUEDA PONCELET SIGLO XXI

La energía del agua está siempre, cascadas invitan a pensar en ello, con buena música:

Un poco de Historia:

http://www.sangakoo.com/blog/poncelet/

Es una rueda hidráulica con paletas curvadas, originalmente desarrollada por el ingeniero militar Jean-Victor Poncelet a principios de 1800 (Siglo XIX), para aprovechar la energía de una corriente de agua. La innovación se presentaba en una válvula de compuerta al pie de la rueda, que provocaba la aceleración del flujo de agua, sumado a la curvatura de las palas para incrementar el rendimiento de esta máquina, desde el 10% "tradicional" a algo así como el 60% con su diseño particular.

Como es de suponer, se necesita un desnivel para lograr potencia hidráulica gracias a la corriente que fluye, para poder colocar la compuerta y acelerar el flujo, que "atacando" las sucesivas palas de la rueda la obligan a girar, tal como una moderna turbina de acción (Banki, Pelton, Turgo).

Imprescindible visitar:
http://www.multilingualarchive.com/ma/enwiki/es/Water_wheel
http://translate.google.com.ar/translate?hl=es&langpair=en%7Ces&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Poncelet_wheel
http://translate.google.com.ar/translate?hl=es&sl=en&tl=es&u=http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DH_qYzRvT_KI&anno=2

El Proyecto en Marcha:

Por iniciativa de un privado, visionario y emprendedor, admirable e incansable entusiasta de "hacer más y mejor", nació este proyecto en una mesa de café en 2010, cuando "reparando" las heridas del mundo surgió la idea de aprovechar una corriente de agua de un canal ubicado en San Juan, al pie de la Cordillera de los Andes, para producir energía eléctrica y abastecer un Hostel Ecológico, así, el proyecto se puso en marcha.

Había un problema: No teníamos salto de agua, había que "fabricarlo".

Primera cosa: Un Plan !! A partir de una tormenta de ideas y metas de toda clase, se ordenaron las prioridades y estableció un plan de acciones, lo primero fue "informarse", luego "entender", así sucesivamente, "desarrollar", "modelar", "verificar", "mejorar", para finalmente "fabricar". Entonces dijimos: "Tenemos más de 12 kW !!!", suficiente para cubrir las necesidades totales requeridas.

Muy buena animación de ruedas hidráulicas para comprender mejor:
http://es.scribd.com/doc/14000407/Aplicacion-Poncelet

El proyecto estaba en plena marcha cuando lamentablemente la Señora Muerte acudió en busca del gran iniciador, llevándose a una de las mejores personas con quien pudimos compartir tantas ilusiones y gratos momentos de armonía; escueto y parco en sus expresiones, cortas frases plenas de contenido, buen humor siempre, adulto docto con alma de niño, siempre dispuesto a saber más y aprender, su escondida curiosidad por lo simple o complicado era ilimitada, en suma, una pérdida mayor.

Pero felizmente sus herederos cual competidores de postas, han retomado el camino para concluir esta empresa con éxito, pronto.

En el sitio donde se emplazará la rueda, hay actualmente una canal de riego importante y de fuerte pendiente, cuya longitud dentro de la propiedad del cliente permite modificar su perfil longitudinal abatiendo el fondo, manteniendo la velocidad mínima tal que no exista deposición de material sólido en suspensión, lográndose de esta manera, materializar el deseado “salto de agua”, sin alterar en absoluto el régimen de escurrimiento, lo cual garantiza a los regantes de aguas abajo la plena disposición de sus respectivas dotaciones de agua para riego, además de no necesitar tareas de mantenimiento en el canal que es de tierra, lo cual significaría erogaciones injustificables.

Obtenido el desnivel, ya se puede imaginar un canal by-pass para desviar el agua hacia la rueda, cosa muy sencilla en la mente cuando se trata solamente de una idea, pero no tanto a la hora de las definiciones de proyecto ejecutivo, las imágenes de abajo muestran "la idea" y "el proyecto", es evidente la gran diferencia de contenido y detalles, tal como cualquier obra de arte de ingeniería hidráulica, donde prácticamente todas las subespecialidades de esta profesión maravillosa intervienen atentando contra el libre vuelo creativo, sumado al obligado, necesario e inexorable cumplimiento de todas las disposiciones legales y técnicas de nuestro Código de Aguas.

La naturaleza del suelo, la geometría del canal existente, la cercanía de un cauce seco (bajada de crecientes), el agregado de un "puente canal" a la obra básica, la necesidad de ejecutar la obra sin interrumpir el flujo de agua para los regantes, los escenarios de operación y sus características propias como rechazo de carga y obstrucción masiva, la condición de lograr facilidad de inspección, mantenimiento y reparaciones futuras, las premisas de labor "limpias" y que respeten el ambiente, la carencia de algunos recursos técnicos y logísticos en el lugar, el desafío de construir una obra con detalles "gruesos" (medio centímetro de error admisible) y "finos" (algunas partes de la obra con precisión menor que un cuarto de milímetro), la distancia (más de dos horas de viaje y 200 km) a cualquier fuente de insumos, hacen que el proyecto y su construcción / montaje sean de lo más desafiante, ideal para nuestra gimnasia mental y actitud como equipo de trabajo.

No pocas dificultades encontramos a la hora de diseñar esta Rueda Poncelet que a real saber y entender no requiere derecho de propiedad intelectual, parece ser ya un "patrimonio de la humanidad"; los esfuerzos de ingeniería fueron arduos, poca información específica, diseño y prototipos originales de casi dos siglos de antigüedad y casi nada de resultados de pruebas comprobables, modelos matemáticos prácticamente ausentes. Hubo que hacer la re - ingeniería de prácticamente todo, aprovechando las figuras conceptuales de libre acceso en la web, sumado al profesionalismo de la ingeniería local, oficio aprendido en la universidad pública e irrestricta que este país sostiene (milagrosamente), para producir expertos en todas las disciplinas del saber.

Sumado a esto, el cliente (ingeniero senior y que siempre tiene la razón) deseaba fervientemente que su rueda sea "graciosamente bella", su concepto de la estética siempre primaba en las decisiones, era un amante de las buenas soluciones cuando fuesen "elegantes". La quería totalmente de madera, lo cual significaba un aporte más a la colección de dificultades, sabiendo que debíamos garantizar 15 años de vida útil sin reparaciones, con mínimo mantenimiento operativo exclusivamente. Nació entonces un aditamento ambientalista, cual es el re-aprovechamiento de cosas en desuso, que ya cumplieron su finalidad y vida útil, para renacer en un nuevo ser-objeto, con renovada vitalidad y mejor destino que el olvido o el fuego. Decidimos usar una bobina vacía de conductor de alta tensión como estructura soporte de las palas (álabes) de la rueda.

Esta opción tecnológica impulsó una meta especial, la obtención de un resultado: Larga vida de la madera en contacto alternativo con agua y aire. Para colmo con la  madera disponible no calificable de "dura", sino al contrario, una especie de pino muy susceptible a la humedad, que gracias a mojarse cambia de volumen, se deforma, varían sus propiedades mecánicas y en sentido negativo. No hubo más remedio que protegerla, aprovechando nuestra adicción a navegar, a construir nuestros propios botes y embarcaciones, "enfibramos" la rueda con vidrio hilado y resina transparente de la mejor calidad, era prioritario exhibir la belleza de la madera por encima de todo.

Las comprobaciones mecánicas de esfuerzos, inercia y resistencia, fueron exitosas, un arreglo de madera con tablas fijadas mediante clavos remachados, una de cuyas unidades nos animamos a destruir en una prueba de calidad, arrojó los resultados esperados: La rueda soportaría  el "maltrato".

La necesidad de aprovechar al máximo el pequeño salto de agua que generaría el re-perfilado del fondo del canal, generó otro desafío, cual es re-diseñar las palas para mejorar la eficiencia de Poncelet (seguramente inquieto y entusiasmado desde donde nos estuviera observando). Innumerables corridas de software que desarrollamos nos dieron la pista, finalmente cada pala o álabe de la rueda sería una curva enlazada tangencialmente con tres arcos uno a continuación del otro, un arco de circunferencia seguido de otro arco de elipse seguido de otro arco de espiral de Arquímedes. Y esto es gran cosa !!! Este desarrollo en modelo matemático por el que nunca reclamamos (ni lo haremos) compensación pecuniaria nos impulsó en el camino del saber y del conocimiento, quizás lo que más nos motiva a aceptar estas tareas. El resultado del modelo matemático fue más que alentador, en condiciones de máxima exigencia el rendimiento llegaba cómodamente al 68%, nada despreciable para una rueda burda comparada con las modernas turbinas hidráulicas que incorporan tecnología de punta y conocimiento de primera línea.

La mala noticia: Al Señor Cliente le tuvimos que confesar que su rueda no sería completamente de madera como él quería, pero su "maquinita" sería igualmente bella, ya que lo poco metálico que tendría, sería el interior "escondido" en el canal y entre las "tapas" circulares de madera. Afortunada y sabiamente Don Federico aceptó esta decisión y luego de visitar en taller los avances de la tarea quedó muy conforme. El Proyecto seguía viento en popa.

A la derecha se aprecia la rueda en construcción, con su eje y los álabes a un costado, en espera de colocación, inútil explicar las dificultades prácticas de asociar madera y metal con precisión menor que un milímetro ... Sin el genio y creatividad de Miguel, no hubiera sido posible. Ni qué decir del sellado de grietas de la madera, del acabado superficial, de la corrección de "alabeo" de los discos tapas, del cilindrado de los bordes (torneado de más de dos metros de diámetro), siempre trabajando con piezas voluminosas y mínimos recursos, aplicando todo el saber y la experiencia para lograr resultados más que exitosos, lidiando con un "bebe" de más de 1500 kg y con el mayor de los cuidados, con ternura y "guante de seda".  

Mientras tanto, se seguía ajustando el proyecto de obra civil en permanente comunicación con el candidato constructor, colega  de profesión y gran fuente de sugerencias acertadas e inteligentes, el Ing. Jorge Ávila, a la sazón radicado justamente en el pueblo donde se instalará la rueda para generar electricidad con una fuente de energía limpia y renovable.

Fue así que se decidió preparar en taller las plantillas de acero para materializar el perfil de canal, antes, debajo y luego de la rueda, cuya precisión demanda un error máximo tolerable de menos de un cuarto de centímetro. Esto aseguraría que con solamente una correcta y fina colocación de la plantilla en la excavación encofrada y armada con acero estructural, quedaría incorporada al hormigón de la obra, facilitando a su vez, cualquier tarea de limpieza y mantenimiento sin alterar las curvaturas necesarias, que probablemente pudieran ser afectadas por el alto contenido de arena en suspensión, propio de la naturaleza del agua disponible, que tarde o temprano erosionarían el hormigón dada la velocidad del agua en esta zona, que actúa como un verdadero "hidro-arenado" que desgasta hasta el más duro de los concretos. El presupuesto original, si bien admitía variaciones en más y en menos, impedía incrementar el costo total con un canal prefabricado en acero, mucho más resistente a la abrasión que el mejor hormigón factible de amasar en el sitio con los medios disponibles.

La Generación de Energía Eléctrica:

Se eligió un generador sincrónico monofásico en 220 Volts, auto excitado y autorregulado disponible en plaza comercial, con ensayos certificados y trazables de garantía de rendimiento, tensión, corriente, potencia y frecuencia, lamentablemente su grado de protección IP-40 nos obligaría a tomar recaudos extra para asegurar la integridad y seguridad de equipo, confiriéndole características que apuntaren a IP-54.

Debido a a baja velocidad de rotación de la rueda comparada con la del generador, es necesario interponer entre ellos un dispositivo multiplicador de velocidad. Esto se resolvió con un arreglo mixto, integrado por un multiplicador (conversor de par) a engranajes seguido de una cascada de poleas a correa. De este modo se transfiere la potencia mecánica de la rueda al generador con mínimas pérdidas, todo sobredimensionado mecánicamente para absorber fluctuaciones y transitorios operativos, sin afectación para el conjunto.

La regulación primaria automatizada asociada al mecanismo de control de la compuerta de admisión, se completa con un dispositivo electrónico de "regulación fina" que elimina efectos de histéresis y mantiene tensión eléctrica y frecuencia constantes permanentemente, cumpliendo las normas de generación vigentes en Argentina, si bien el destino de la electricidad es exclusivo para uso propio e interno, sin vinculación con la red de abastecimiento local.

Las imágenes muestran:

Arriba a la izquierda un dispositivo para automatización de apertura y cierre de compuerta de control de flujo (control grueso).

Arriba a la derecha el perfil de fondo de una rueda Poncelet similar a la de este proyecto.

A la izquierda una rueda Poncelet recuperada y refuncionalizada en Francia actualmente en servicio, con nueva compuerta de control de admisión de agua fluyente.

La regulación secundaria "fina" incluye un banco de resistencias pequeño destinado a derivar la carga excedente generada y no consumida, este dispositivo es capaz de atenuar a valores admisibles las variaciones de tensión y frecuencia dentro del rango de aceptabilidad de las normas de generación vigentes.

Qué pasa ahora:

Estamos próximos a trasladar la rueda, generador, plantillas, transmisión mecánica y órganos de control a su destino final, para una vez concluida la obra civil proceder a su montaje y puesta en marcha. Otra nueva odisea nos aguarda, se viene el momento de la verdad, cuando los papeles y las ecuaciones están demás, cuando todas las horas de cavilaciones y esmeros entregadas en un ordenador se diluyan en la realidad tangible, cuando la única verdad es el instrumental del tablero de comando que indique "succesu !! nobis quod vis", o sea, "éxito !! tenemos lo que queremos", electricidad de buena calidad, proveniente de una fuente limpia y renovable, con una máquina del Siglo XIX pero del Siglo XXI, y después sentarse a observar quedamente, aspirar el aroma del campo, oír el chapoteo del agua contra las palas, hipnotizarse con el giro de circular aparato, ver luces encendidas gracias a él y  finalmente poder decir: He aquí una hija más del esfuerzo, de la inventiva, de la decisión y de la irrefrenable actitud de convicción y perseverancia, he aquí un pedazo de nosotros.

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