Potencia hidráulica dinámica

Schauberger

En nuestros tiempos fué Viktor Schauberger, el inventor austrÌaco y genial observador de la naturaleza quién primero abogó por el uso de la velocidad incrementada del agua frente al uso de la presión en los aprovechamientos hidráulicos. El obtuvo una patente que denominó turbina-chorro en los años 30.

Los principios usados por Schauberger para incrementar la velocidad del agua fueron dos. La forma del tubo de inyección del agua y la promoción de un movimiento vortical de la misma mediante aletas espirales en el interior del tubo. La patente de Schauberger nos da ahora dos importantes claves para cambios innovadores en nuestra tecnologÌa hidráulica.

La primera es que en un tubo se incrementa la velocidad del flujo restringiendo la sección a través de la cual el agua debe fluir. Este incremento de la velocidad es especialmente notable si en el tubo se facilita la formación de un modo caraterÌstico de movimiento del agua conocido como vórtice. Dicho vórtice tiene una tendencia, que no tiene nada que ver con el efecto del chorro, como es por un lada incrementar la velocidad del agua y por el otro la de disminuir su temperatura, lo que aumenta su peso especÌfico.

La segunda innovación propuesta por Schauberger es un diseño revolucionario de la turbina obteniendo muy altas velocidades de giro y al mismo tiempo evitando las dificultades usuales debidas a la cavitación que se dan en las turbinas de muy alta velocidad. De hecho el rotor de la turbina de Schauberger es de forma cónica, con hojas formando espirales alrededor del cono, como si fuera un sacacorchos y está colocada en el eje del chorro de agua. El rotor-sacacorchos divide el chorro de agua, recoge su energÌa cinética y deja al lÌquido continuar sin más problemas.

Las turbinas de diseño corriente rompen el agua en miles de destructivos contra-flujos y vórtices cruzados, desperdiciando de esa manera mucha de la energÌa disponible y causando los problemas comunes de cavitación, una rapidÌsima corrosión y destrucción de las láminas de la turbina.

AquÌ está la descripción del nuevo tipo de turbina que Schauberger dió en su patente N† 117.749. "El objeto de la invención es una máquina hidráulica que utiliza la energÌa de un chorro de agua con el propósito de generar energÌa. De acuerdo con la invención, el rotor de la turbina es un cono con hojas como un sacacorchos. El eje del cono está alineado con el eje del chorro. De esta manera el chorro de agua es separado y apartado fuera de su camino entregando asÌ toda su energÌa al cono giratorio de una forma tal que, dependiendo de que la longitud del cono y el diámetro de su base esten en una relación correcta y de que las hojas esten montadas en el ángulo correcto (estos parámetros dependen de la velocidad del agua) se consigue que el agua fluya fuera de la máquina sin agitación.

La ilustración es una representación esquemática del invento. El cono giratorio, cuyo eje (1) está alineado en la dirección del chorro de agua (2) está construido con hojas (3) en forma de sacacorchos.

Los finales (4) de dichas hojas (3) estan doblados hacia arriba en dirección contraria a la llegada del agua a fin de desviar el chorro de forma que se transfiera al cono giratorio el máximo de energÌa. En la parte interior del tubo que forma el chorro (2) hay aletas en forma de rosca (5) que provocan un giro, lo que de acuerdo con nuestras observaciones produce un incremento de la velocidad del agua y de la eficiencia de la máquina.

Derecho de Patente

1.-Un chorro de turbina, que se distingue por el hecho de que en el camino del agua y alineado con su eje para hender el chorro hay una turbina giratoria con forma de cono, cuya superficie está cubierta por láminas en forma de sacacorchos.

2.-Un chorro de turbina que, de acuerdo con el derecho número 1 se distingue por un tubo (2) con nervios (5) inclinados en la dirección del giro de la parte giratoria de la turbina".

Esta patente fué presentada en 1.926 y garantizada en 1.930. Parece que Schauberger usó una pequeña turbina de su diseño en una corriente de agua cerca de su casa, pero no hay constancia de ello.(2).

Herbrand

Otro caso de uso de la energÌa del agua corriente fué documentado por Ludwig Herbrand. Ludwig era un ingeniero alemán que fué llamado como estudiante para evaluar y calculkar los parámetros de algunos generadores y sus excitatrices que habÌan sido recientemente instalados en la central de Rheinfelden. También se le encargó el diseño de interruptores de sobrecarga para esos generadores. Otro trabajo era comparar esos generadores con otros de otra central que habÌan sido descritos en una revista especializada.

Para gran consternación del entonces joven y inquisitivo estudiante de ingenierÌa, parecÌa que los generadores bajo estudio estaban dando más energÌa eléctrica de la que debieran, de acuerdo con la teorÌa aceptada. Uno de los generadores de la planta de Rheinfelden, con 50 metros cúbicos de agua por segundo y una altura de sólo un metro que otro generador en Ryburg-Schwörstadt con una capacidad de 250 metros cúbicos por segundo y una altura de caida de 12 metros.(3).

El hecho fué confirmado por el profesor Finzi, el diseñador de las turbinas y generadores, que dijo al joven Herbrand:

"No te preocupes acerca de esto. Es correcto. El generador ha estado trabajando sin problemas por algún tiempo. Vuelve a hacer los cálculos y lo verás por ti mismo. Nosotros somos ingenieros eléctiricos. Esos problemas no nos toca a nosotros resolverlos, se los dejamos a los técnicos del agua.Hemos repetido las medidas y la producción del generador es exactamente la especÌficada. La única cosa es: nadie sabe de esto. (4).

Herbrand pronto fué llamado a filas y la Segunda Guerra Mundial no le dejó seguir más con ese asunto. Solamente mucha más tarde, en los años setenta y ochenta, Herbrand volvió a los cálculos hecho para su examen de ingeniero, trató - hasta ahora sin éxito - de interesar a la industria y al gobierno en ese uso distinto y más eficiente de la energÌa hidráulica.

Hechos técnicos

Voy a tratar de plasmas aquÌ los hechos técnicos, usando cálculos que están basados en fórmulas aceptadas y consideraciones fÌsicas confirmadas por experimentación a fin de demostrar que, con un punto de vista diferente sobre la ingenierÌa hidráulica, poderÌamos obtener significativamente más potencia eléctrica de la que está siendo extraida hoy con maquinaria más simple, mas barata asÌ como menos agresión al medio ambiente.

Como se ha mencionado arriba, la ingenierÌa hidráulica actual trabaja con la presión hidráulica, obtenida como resultado de la diferencia de altura entre el nivel del agua y la turbina. Esa presión cuando actúa sobre la turbina se transforma en una celeración momentánea del agua y en una cierta velocidad del chorro de agua. Esta velocidad se calcula con la fórmula


v= sqrt 2 . g . h


Dónde v es la velocidad en metros por segundo.
h es la diferencia de altura en metros.
g es la aceleración de la gravedad terrestre (9,81 m/sg2)

Por ejemplo una altura de 12 metros resulta en una velocidad de 15,3 metros por segundo.
La progresión de la velocidad en relación con la diferencia de altura se muestra en la siguiente tabla.:

Altura 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120
Velocidad 15,3 21,7 26,6 30,7 34,3 37,6 40,6 43,4 46 48,5

Altura 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240
Velocidad 50,9 53,1 55,3 57,4 59,4 61,4 63,3 65,1 66,9 68,6

La tabla de abajo los representa gráficamente.


Vemos que la curva de la velocidad sube más abruptamente al principio pero después tiende
a aplanarse con mayores alturas de caida.

Veamos ahora la potencia obtenida con diferentes alturas.



El incremento de la energÌa obtenida es lineal, como se ve en el gráfico de encima.

Cálculo

La energÌa eléctrica que se puede obtener del agua se calcula en base a la velocidad del flujo y la masa de agua, o sea: la magnitud del flujo medido en metros cúbicos por segundo, de acuerdo con la siguiente fórmula

E.cin= 1/2 m.v.v

Por ejemplo: suponiendo una velocidad de 25 metros por segundo y una masa de cinco metros cúbicos por segundo

E= 1/2 5.25.25=1.562,5 Kw

A fin de comparar anotamos varios ejemplos (suponiendo un pequeño caudal de solamente dos metros cúbicos por segundo)


velocidad m/sg 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Potencia Kw 225 400 625 900 1225 1600 2025 2500 3025 3600
velocidad m/sg 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
Potencia Kw 4225 4900 5625 6400 7225 8100 9025 10.000 11.025 12.100



Los cálculos nos dicen que doblando la velocidad se cuadruplica la potencia obtenida. Una velocidad triple conduce a la obtencion de nueve veces más potencia. En otras palabras: tenemos un incremento exponencial. La curva del incremento de energÌa se muestra en el siguiente gráfico.



La representación gráfica lo hace todo más claro: un incremento de velocidad conduce a incrementos progresivos de energÌa. O sea que: °cuánto mayor es la velocidad del agua, mayor es la eficiencia global de la central!

Desde el punto de vista de la utilización de la energÌa hidráulica es irrelevante que la velocidad sea el resultado de la diferencia de altura o de cualquier otro medio que refuerce la tendencia natural del agua a fluir.Y parece que podemos incrementar la velocidad del agua según nuestros deseos.

Como incrementar la potencia eléctrica

Hay dos variables básicas en ingenierÌa hidráulica que determinan la potencia eléctrica obtenida. Son: la cantidad de agua disponible y la velocidad. La primera depende mucho de la situación y generalmente no puede ser incrementada por la intervención humana. Es la segunda variable, la velocidad del agua, la que puede ser manipulada de muchas maneras. Aparte de incrementar la presión del agua, que es comparativamente un medio ineficiente de umentar la velocidad del flujo, este parámetro puede ser influido por otro más simple y menos costoso.

En coheterÌa un principio comunmente utilizado es incrementar la velocidad restringiendo la sección del conducto de salida de los gases. Se llama el principio de chorro y ha sido utilizado con éxito durante décadas. El mismo principio puede ser usado para incrementar la velocidad de un flujo de agua, como en un rÌo. De hecho, cuándo un rÌo se ve forzado por la configuración natural del terreno, a fluir a través de una garganta estrecha, la velocidad en ese punto es mucho más alta de lo que era antes y después de ese paso. Este efecto puede ser utilizado hallando una garganta natural, o estrechando artificialmente el curso de un rÌo a fin de obtener un incremento de velocidad.

Otro modo de obtener un incremento de velocidad es provocando la formación de un vórtice longitudinal. Es un movimiento giratorio cuyo eje coincide con la dirección del flujo de agua. Estos vórtices tienen la propiedad de causar un incremento de la velocidad del flujo y una contracción des diámetro del tubo que la masa de agua precisa. También provocan una disminución de la temperatura del agua, y por lo tanto un incremento de su peso especÌfico (°El máximo peso esopecÌfico del agua se alcanza a + 4 grados centÌgrados!).

El agua tiene una tendencia natural a la formación de vórtices, especialmente si su flujo es influido por algo exterior como la gravedad. Podemos observar esto en el vórtice que se forma al vaciar una bañera u otro depósito lleno de agua, si ésta se ve obligada a salir por un tubo situado en su parte baja. Incluso un simple grifo va a mostrar este mismo fenómeno si el agua fluye reletivemente libre, sin burbujas o agitación. Cuando el agua toma velocidad forma un vórtice delante de nuestros ojos.

Una confirmación de esta tendencia de los vórtices a incrementar la velocidad del agua (en otras palabras: disminuir la resistencia al paso del agua) se desprende de los experimentos llevados a cabo en 1.952 en el Colegio Técnico de Stuttgart por el profesor Franz P–ppel y Viktor Schauberger.

Los experimentos se hicieron con tubos de diferentes materiales y diferentes formas para determinar si tales materiales o formas tenÌan influencia en la resistencia al paso del agua a través de los tubos. Parece que los mejores resultados se obtuvieron con tubos de cobre y que este material causa menos resistencia al paso del agua incluso que los sueves tubos de vidrio usados como comparación. Pero el dato más importante que emergÌa de esos experimentos fué que usando un tubo de forma espirar basado en la forma del cuerno del kudu (un antÌlope africano) la fricción en este tubo disminuÌa con un aumento de la velocidad y en cierto punto, el agua fluÌa con una resistencia negativa (5).

TeorÌa y práctica

La mejor teorÌa no vale lo que el papel en el que está escrita si no puede ponerse en práctica. A pesar de ello vamos a examinar la utilización práctica de estos principios en la ingenierÌa hidráulica.

El objeto es incrementar la velocidad del agua hasta tal punto que el chorro resultante va a dar más energÌa cinética que la utilización convencional gracias a la presión del agua.

Paso 1.

Como primer paso el flujo de un rÌo normal es llevado a mayor velocidad gracias a un muro que restringe gradualmente el cauce del rÌo. Esto va a incrementar la velocidad normal de dos a cinco metros por segundo hasta 10 o 15 metros por segundo.

Paso 2.

En este punto, con el fin de incrementar la velocidad más aún debemos construir un canal que se parezca lo más posible a un vórtice natural. Hacemos esta canalizando el ya rápido curso del agua hacia un tubo o tunel de sección aproximadamente circular cuyo diámetro se reduce causando un mayor incremento de la misma.

Para auxiliar este proceso podemos promover la formación de un vórtice en el tunel que va a obligar al agua a salir a considerable velocidad. Esto se hace o bien a base de aletas colocadas a tal fin en el tubo como propuso Schauberger, o bien construyendo el tubo con forma de sacacorchos.

Una turbina y un generador instalados en el punto de salida del chorro de agua, preferiblemente con el diseño propuesto por Schauberger, nos van a dar una potencia mucho más alta que la conseguida por medios convencionales.

AllÌ donde el paso número 1 no es posible debido a que el rÌo es muy pequeño o en un lugar en el que queremos simplemente adaptar una central existente para utilizar la energÌa cinética del agua, el paso 2 puede ser utilizado con provecho combinado con diseños convencionales. Para pequeñas centrales se cambia la forma del alimentador de agua colocando un tunel o tubo-chorro en su lugar, asÌ se consigue parte del incremento de velocidad por efecto de la gravedad y otra parte gracias al efecto especÌfico del chorro y el flujo vortical.

Sin limitación teórica

¿Hay lÌmites para la velocidad del flujo de agua?. Esta es una pregunta que deberÌamos hacernos antes de embarcarnos en esa clase de proyecto. Parece que teóricamente no hay lÌmites, siempre que se use el modo de flujo vortical. Si el agua es forzada a fluir en tubos rectos, la resistencia aumenta con el aumento de la velocidad. Eso no ocurre cuando posibilitamos que el agua se mueva de modo natural, acomodando el vórtice resultante en nuestro tubo. En ese caso la resistencia puede ser muy baja, incluso negativa, como se demostyró en los experimentos desarrollados en Stuttgart.

Con el propósito de evaluar los beneficios potenciales del uso de la energÌa cinética inherente al flujo de agua, podemos suponer, de una forma conservadora que podrÌamos conseguir, sin grandes dificultades, velocidades entre 40 y 50 metros por segundo. Esta es una observación basada en la experiencia de Herbrand, que constató velocidades de 35 m/sg en la central de Reinfelden.

Podemos ver en las tablas estadÌsticas de más arriba que 45 m/sg equivalen a una energia potencial de más de 100m. Suponiendo que tenemos un caudal de 10 metros cúbicos por segundo podemos predecir que a 45 m/sg obtendrÌamos una potencia de 10 megawatios. Es una cantidad considerable de energÌa y puede ser conseguida en caso todas partes a lo largo del curso de un rÌo, sin los costes altos ni económicos ni medioambientales de la dudosa práctica de construir una presa y un lago artificial para obtener 100 metros de altura.

Si es cierto que la velocidad del agua puede ser incrementada a voluntad y con medios compativamente menos costosos que los diseños hidráulicos habituales, alguien puede preguntar ¿Porqué no usamos este método claramente superior?

Las ideas fijas y la "ley de conservación de la energÌa".

Es muy difÌcil des-aprender algo que uno ha estudiado y especialmente si lo aprendido se necesita para pasar un exámen. El peso de las llamadas "leyes naturales" que apoyan esas doctrinas hace incluso más difÌcil para una persona ponerse de pié y decir "eh, hay algo que hemos pasado por alto!"

Por supuesto "todo el mundo sabe" que se debe presionar el agua si queremos usarla para producir energÌa. Todo el mundo sabe también que la ingenierÌa hidroeléctrica ha estado bien manejada desde principio de siglo. ¿Para que molestarse en mirar más alla?.

No por parte de Ludwig Herbrand. Ha llevado una incesante batalla durante más de 20 años para que se reconociera esta nueva tecnologÌa.Literalmente cientos de cartas al gobierno y a la industria, asÌ como a instituciones internacionales con muchas respuestas negativas, diciéndole mas o menos educadamente que sus propuestas no eran bienvenidas. Es difÌcil romper esa barrera de "conocimiento" especialmente cuando los expertos piensan que ven una violación de la conservación de la ley de la energÌa. Se invoca la ley de la conservación de la energÌa cuándo los cálculos no parecen permitir una producción mayor de energÌa. Pero en este caso hay un factor que ha sido despreciado en nuestros cálculos, no una violación de las leyes de conservación.

El agua es un acumulador de energÌa

Hay evidencia de que la bajada de la temperatura del agua, que es una consecuencia del movimiento vórtical aumenta la energÌa del agua que entonces aparece como energÌa cinética gracias al aumento de su velocidad. De esta manera un vórtice transformarÌa calor (que es movimiento molecular al azar) en energÌa cinética (que es movimiento en una dirección). Schauberger enfatizó que el agua podrÌa acumular enormes cantidades de energÌa si es calentada. Estableció en un artÌculo sobre el rÌo Danubio que para cazlentar un metro cúbico de agua solamente una décima de grado centÌgrado se necesitan aproximádamente 42.700 Kgm de energÌa, esto demuestra las enormes cantidades de energÌa que se gastan cuándo se calienta agua y que son entregadas cuando el agua se enfrÌa.(6).

La termodinámica, tal como se enseña en nuestras escuelas y universidades no admite esta transformación de doble dirección del calor a pequeñas diferencias de temperatura. La termodinámica está basada en la observación de las máquinas de vapor y tiene poco que ver con la naturaleza, aunque algunos insisten en que las llamadas leyes de la termodinámica son "leyes naturales". A pesar de todo la termodinámica no es capaz de explicar algunos fenómenos naturales.(7).

En el campo del cálculo de la potencia eléctrica, la velocidad no se considera separadamente sino como consecuencia exclusÌvamente de la diferencia de altura. Eso es como decir que no hay otros medios de conseguir aumentos de velocidad que no sea la presión. Esta es la manera en la que los expertos hacen los cálculos, pero la realidad fÌsica es diferente. La velocidad del agua, como hemos visto, no está exclusivamente ligada a la presión sino que puede ser conseguida por otros medios. AsÌ el método correcto de calcular es a partir de la velocidad del agua y llegar a la potencia obtenida. La diferencia de altura y la velocidad equivalente como se han calculado en la fórmula dada más arriba son un caso particular, no la regla general. Debermos distinguir entre la velocidad inducida por la presión y la velocidad natural del flujo de agua. O sea:debemos distinguir entre gravedad e inercia. Esas dos fuerzas son similares en sus efectos, pËro a pesar de todo son dos fuerzas diferentes. Este artÌculo no pretende un examen detallado de las fuerzas fÌsicas involucradas. Para los que estén interesados en esto me remito a un artÌculo que he escrito en EXPLORE en1.992.(8).

Espero que este artÌculo pueda contribuir a superar la "barrera del conocimiento"; los muchos "todo el mundo sabe" en el campo de la ingenierÌa hidráulica. Para todos los que quieran utilizar la energÌa cinética del agua recomiendo el estudios de los escritos de Viktor Schauberger, el gran maestro de la ingenierÌa hidrálica, que permaneció fuera de la ciencia oficial toda su vida, debido a que sus puntos de vistaeran tan radicalmente diferentes de todos los profesores de su tiempo.

Josef Hasslberger
Roma, Italia


Bibliografia:
  1. Patent granted to Viktor Schauberger by Austrian Patent Office, number 117 749 of 10 May 1930
  2. Implosion nr. 58, pg 31 article (unsigned) "Kann Energie wachsen?"
  3. Hasslberger, Josef "Understanding Water Power" EXPLORE! Vol. 4 number1, 1993
  4. Herbrand, Ludwig "Das Geheimnis der Wasserkraft", 1. Nov. 1990, S. 9
  5. Alexandersson, Olof "Living Water" Gateway Books, Bath, UK
  6. Schauberger, Viktor "Das Problem der Donauregulierung" in Implosion nr. 23
  7. Hasslberger, Josef "A new Beginning for Thermodynamics" EXPLORE! Vol. 4 number 5, 1993
  8. Hasslberger, Josef "Physics - At the End of a Blind Alley?" EXPLORE! Vol. 3 number 5, 1992

La ingenierÌa hidrodinámica, hasta ahora, no tiene en cuenta nada más que dos variables. Una es la diferencia de altura entre la superficie del agua y la turbina. La otra el caudal que puede ser enviado a través de la turbina. Una tercera variable, la velocidad del agua, generalmente no se considera muy importante. Solamente se toma en consideración como la resultante de la presión que depende de la altura, pero no se considera importante en si misma. De hecho los diseños normales en ingenierÌa hidráulica excluyen la utilización de la energia cinética inherente al libre flujo del agua. Una presa destruye esta energÌa cinética del agua convirtiéndola en energÌa estática con ausencia total de movimiento.

Si nosotros estudiamos los escritos de Viktor Schauberger y Ludwig Herbrand encontramos que la energÌa inherente al flujo libre del agua puede ser mucho mayor que la obtenida del uso exclusivo de la presión resultante de la diferencia de altura. El flujo libre del agua, más que la presión producida por la altura, han sido usados en molinos y martillos en la era preindustrial.


traduccion de Karin Raschke