Tema A1a. Diseño Mecánico: Generación de energía.
¨Diseño de sistema de generación de energía sustentable para calzado térmico¨
R E S U M E N
El presente trabajo expone el diseño y fabricación de un prototipo para un sistema de generación de energía, el cual tiene
como objetivo generar una potencia de 5W, aprovechando el movimiento habitual de la marcha. La potencia permite
alcanzar la temperatura de confort dentro de un calzado entre 295.5K y 298.2K; y requiere 0.3365W para mantener la
temperatura. Este calzado es usado en regiones de temperatura extremadamente baja. El sistema está basado en dos
cámaras flexibles que, por medio de conductos y debido a la presión plantar aplicada en antepié y retropié, hace circular
un fluido hacia una turbina, encargada de accionar un generador eléctrico. También se presentan las simulaciones CFD
llevadas a cabo para conocer el movimiento del fluido dentro del sistema, principalmente velocidades y presiones con las
que impacta la turbina. Lo anterior permite validar el prototipo desarrollado con las ventajas de generar energía
sustentable, sea sencillo y económico.
Palabras Clave: Calzado térmico, Generación de energía, Simulación CFD en turbina.
A B S T R A C T
This work displays the design and fabrication of an energy generation system prototype, which has as purpose to generate
5W of energy, by the habitual movement of march. Potency lets to reach a comfort temperature inside a footwear between
295K and 298 K; and requires 0.3365W to keep this temperature. The footwear is used in extremely cool temperature
regions. The system it´s based in two flexible cameras which, by pipelines and by plantar pressure applied on forefoot and
hindfoot, make a fluid circulates trough a turbine, which stars an electric generator. Also, this paper exposes CFD
simulations whish was made to know the fluid movement into the system, firstly pressures and velocities with which the
fluid gets into the turbine. The above helps to validate the prototype whit advantages of generate sustainable energy, it be
easy and economic.
Keywords: Thermal footwear, Energy generation, CFD simulation
1. Introducción
Motivados por el deseo de mantener el aumento global a
nivel mundial en temperatura bajo el nivel crítico de 2°C,
varios expertos internacionales en ambiente y energía se
dieron cita en la cumbre de cambio climático COP21 en
París en diciembre de 2015 han reclamado que la energía de
fuentes renovables puede jugar un papel esencial en la
mejora de la calidad del ambiente y reduciendo los efectos
del cambio climático en la naturaleza. Por consiguiente,
varios esfuerzos multilaterales en favor de desarrollo de
fuentes de energía renovables han sido desarrollados en los
últimos años [1]. Por otro lado, las bajas temperaturas es un
problema que ha enfrentado el ser humano a lo largo de su
existencia, lo cual lo ha llevado a desarrollar prendas que le
permitan conservar el calor de su cuerpo. Entre estas prendas
se encuentra el calzado, del cual aparte de desarrollar tela
que permita conservar una temperatura confortable en los
pies, se han desarrollado varios sistemas o dispositivos que
generan energía a partir del movimiento al caminar y por
medio de esta energía generan calor creando así una
temperatura de confort dentro del calzado a bajas
temperaturas.
Los sistemas de recolección de energía pueden adquirir
energía del ambiente y convertirla en electricidad.
Diferentes energías, como es la solar, térmica, flujo de
viento/aire, variación de presión, energía mecánica o de
vibración, pueden ser recolectadas, la energía de vibración
es la mayormente estudiada y utilizada. Para pequeñas
amplitudes de vibración, los dispositivos piezoeléctricos son
usualmente empleados. Sin embargo, para largas amplitudes
de vibración, los dispositivos electromagnéticos oscilantes
en miniatura los cuales tienen un mecanismo similar al de
un generador lineal son más adecuados. Por ejemplo, los
autores Ding Han y Ville Kaajakari (2009), presentan un
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Angélica Arreguín Hernándeza, Raúl Lesso Arroyo
Tecnológico Nacional de México/ Institito Tecnológico de Celaya, Antonio García Cubas Pte. esq. Avenida Tecnológico, CP 38010, Celaya, Guanajuato, México
*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: [email protected]
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generador de energía para zapatos basado en un transductor
de polímero piezoeléctrico microestructurado. Las
propiedades del transductor coinciden con el llenado regular
del zapato y está diseñado para aprovechar la energía de la
marcha humana sin afectar la marcha del usuario. Todo el
sistema de generación de energía está integrado en el talón
del zapato, tiene una gran potencia de salida (4 mW de
potencia bruta, 2,6 mW de potencia regulada por zapata) y
es pequeño, suave, liviano, duradero y de bajo costo. [2]
Por otro lado J. G. Rocha et al., (2010). Describen el uso
de polímeros piezoeléctricos para recolectar energía de las
personas que caminan y la fabricación de un zapato capaz de
generar y acumular la energía. En este ámbito, el fluoruro de
β-polivinilideno electroactivo utilizado como elemento de
recolección de energía se introdujo en una suela bicolor
preparada por inyección, junto con la electrónica necesaria
para aumentar la transferencia de energía y la eficiencia de
almacenamiento. También se incluyó un generador
electrostático para aumentar la recolección de energía. [3]
Existen otras formas o sistemas para generar y recolectar
energía del movimiento del cuerpo humano a través de la
presión plantar [4]. El sistema es instalado en las suelas
donde, durante la caminata y/o al correr, la fuerza es ejercida
permite generar la energía que el sistema va almacenando.
Lo anterior puede permitir tener más de 67 Watts (W) por el
ciclo de la caminata, ya que están disponibles en los golpes
del talón durante una caminata energética. Entre algunos de
los dispositivos para calentar zapatos que se han
desarrollado se encuentran los siguientes.
Jian Xin Shen et al., (2013), desarrollaron un prototipo
de un generador tubular lineal. Se utiliza para un sistema
de recolección de energía equipado con un calzado,
recogiendo energía del movimiento hacia adelante
durante una caminata. Se estudió la configuración del
generador y se detalla la optimización geométrica por
análisis de elementos finitos. El prototipo desarrollado se
muestra en la figura 1. [4]
Figura 1 – Prototipo de Jian-Xin Shen et al.
Wen Jinchuan (2015), cada zapato comprende un
empeine, una parte superior, una suela, un panel de
control, una hoja de calefacción eléctrica y un conector;
el panel de control está dispuesto en un bolsillo interior
de la parte superior, y está conectado, respectivamente,
con la hoja de calentamiento eléctrico y el conector
mediante un cable; cada zapato se caracteriza porque
tiene un panel, de la conducción de calor, de plástico
altamente resistente a los impactos que está dispuesto en
la suela, y la lámina de calefacción eléctrica está
incrustada en una ranura del panel de la conducción de
calor, y el panel está hecho de policaprolactama,
conductora térmica de plástico aislante altamente
resistente al impacto y tiene propiedades conductoras y
aislantes térmicas. Figura 2. [5]
Figura 2 - Calzado propuesto por Wen Jinchuan.
Mattew James Stanton et al. (2015), el invento es un
mecanismo para recolectar energía del impacto del talón
con el suelo cuando camina, corre, etc. La placa del talón
se mueve hacia abajo, comprimiendo los muelles de
apoyo, mientras un sistema de empuje incrementa la
magnitud del desplazamiento, y gira un brazo de palanca,
causando rotación del generador. La cadena de
engranajes incrementa este desplazamiento, para
incrementar la energía producida por el generador
eléctrico mientras rota. La potencia generada es
almacenada en una pequeña y eficiente celda recargable.
Esta batería después recarga lo que el usuario conecte en
este dispositivo (Figura 3). [5]
Figura 3 – Sistema propuesto por Mattew James Stanton et al.
Georgii Ignatchenko et al. (2016). Muestran un sistema
hidráulico para poder recolectar energía generada
pulsando un pie sobre una superficie y proporcionar un
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cojín para el impacto. En ciertos aspectos, un sistema
hidráulico para un calzado puede comprender al menos
una cámara con un primer y segundo compartimentos
separados por una membrana elástica. El primer
compartimento se puede llenar con gas y el segundo
compartimiento se puede llenar con líquido. El gas puede
proporcionar amortiguador de impacto y de
almacenamiento de energía transitoria y el líquido puede
ser presionado para empujar un generador para producir
energía. La presión puede generarse presionando el
calzado sobre una superficie y/o la membrana elástica de
la cámara intentará restaurar su forma. Ver figura 4. [6]
Figura 4 - Sistema propuesto por Georgii Ignatchenko et al.
Como ya se describió la mayoría de los sistemas ya
existentes presentan el uso de material piezoeléctrico o
incluso el uso de algunas baterías. Sin embargo, uno de los
propósitos del presente trabajo es el uso de energías
renovables, así como que la generación de energía sea por la
circulación de un fluido mediante una turbina. Por lo cual el
sistema propuesto que se expone es un sistema que se basa
en estos aspectos. Para ello Arreguín et al [7], realizaron el
estudio de cuál sería la potencia mínima requerida para
mantener la temperatura al interior del calzado. Lo anterior
es importante porque el calzado a considerar en el presente
trabajo está planteado para ser utilizado en lugares con clima
extremadamente bajo entre los cuales se encuentra con días
de frío (entre -30° y -25°C) y temperaturas extremamente
frías (-30°C y menores). [8]
1.1 Características y ventajas de la marcha humana
Durante la marcha humana, hay un golpe periódico entre el
talón y el suelo. La fuerza de impacto del pie alcanza dos
veces el peso corporal de una persona. El desplazamiento del
talón en la dirección vertical durante la marcha depende de
las propiedades físicas. Para una zapatilla de corredor
acolchada, el desplazamiento vertical del golpe del pie es
aproximadamente de 0.01 m. La potencia disponible para
recolectar depende de la fuerza de impacto y el
desplazamiento vertical del golpe del pie, así como de la
frecuencia de marcha. Por ejemplo, un hombre de 68 kg
caminando a dos pasos por segundo, la mínima potencia
disponible para obtener es aproximadamente 13.3W [9]. Se
puede observar que hay una energía mecánica considerable
del movimiento del golpe del pie disponible para recolectar.
Por lo tanto, durante un ciclo de paso en la caminata, el golpe
del talón y la separación del dedo del suelo son repetidos por
cada pie, y esto puede ser usado para manejar la generación
de energía [10].
Se tienen diferentes presiones ejercidas por el pie durante
la marcha, dependiendo de la región del pie entre las cuales
se encuentran el retropié, mediopié y antepié. Las presiones
obtenidas al caminar, con una muestra de 46 personas (23
hombres y 23 mujeres), con edad media de 30 años, un rango
de 18 a 55 años y peso medio de 70,7 kg, con rango de 52 a
109 kg; se muestran en la tabla 1. Tomando en cuenta que el
tiempo de apoyo que tiene el pie con el suelo es de 0.81s.
[11]
Tabla 1 - Presiones ejercidas por el pie.
Región Pico de presión máxima
(kPa)
Presión media
(kPa)
Retropié 275 253
Mediopié 400 65
Antepíe 1240 220
2. Sistema propuesto
El sistema propuesto para la generación de energía consta de
dos cámaras o contenedores de fluido colocados en el
antepié y retropié, estas cámaras están hechas de caucho, se
escogió un material flexible ya que al momento de que una
persona camina la cámara se deforma haciendo circular el
fluido y a su vez haciendo la función de amortiguador. Cada
cámara cuenta con dos salidas las cuales están ocupadas por
conductos que dirigen el fluido hacia la turbina. El sistema
propuesto se muestra en la figura 5.
Figura 5 – Sistema propuesto.
2.1 Análisis CFD en el sistema propuesto
Debido a que el modelo no es muy complejo, se usó una
herramienta computacional que tiene como base el método
de volumen finito (CFD) para obtener el cálculo de las
velocidades de entrada y las velocidades de salida, para el
cual se usó como volumen de control el modelo que se
muestra en la figura 6, para representar el fluido al interior
del sistema.
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Figura 6 – Modelo y volumen de control del fluido al interior del
sistema.
Las condiciones de frontera usadas en el análisis fueron
la presión en el antepié y retropié, temperatura del fluido y
paredes, salida del fluido por la parte inferior de la carcasa,
paredes sin deslizamiento. La localización de las entradas,
salidas y el mallado utilizado para la simulación se observan
en la figura 7. El análisis de CFD realizado fue en estado
estable con efectos de temperatura (Thermal energy),
considerando efectos de turbulencia con algoritmo de
formulación k-ε por los cambios de sección del volumen de
control. [12]
Figura 7 – Mallado, entradas y salidas.
Por las condiciones a las que son expuestos los calzados
de zonas altamente frías, para la simulación se estableció
trabajar con las combinaciones de condiciones que se
muestran en la tabla 2.
Tabla 2 - Condiciones de frontera
Simulación
Presión
antepié
(kPa)
Presión
retropié
(kPa)
Temperatura
del fluido
(°C)
Temperatura
de las paredes
(°C)
1 0 253 25 25
2 220 0 25 25
3 25.3 (10%)
227.7 (90%) 25 25
4 50.6 (20%)
202.4 (80%) 25 25
5* 0 253 20 - 30
*Caso de estudio considerando la temperatura del fluido y en paredes externas del
volumen de control.
Para esta primera etapa de análisis y desarrollo del
prototipo, no se consideró de manera importante todas las
posibles patologías que presentarían algunos futuros
usuarios del calzado, es decir, las personas que puedan
presentar casos de Genu varo (Valgum o Varum). Lo
anterior desde el punto de vista Biomecánico, está
demostrado que se afectarían las presiones plantares. Esto
debido a que variarían las fuerzas sobre la planta del pie,
porque las patologías, presentan grados de desalineación del
pie respecto a la vertical (algunos casos hasta 6°) y los
niveles de presión variarían dependiendo de cada patología
que presenta la persona que usaría el calzado, ver figura 8.
En el presenta trabajo se aplicaron presiones plantares en
retropié y/o antepié con sus valores totales, además para
estas mismas zonas se aplicó reducción de presión en
porcentajes para los casos 3 y 4 de las simulaciones (para
considerar usuarios que tendrían alguna desalineación de
valgum y varum), [13].
Figura 8 – Patología del ángulo genu varu(valgum y varum).
Para el volumen de control se generaron varias mallas y
se puntualizó en refinar la zona de las tuberías por el cambio
fuerte de sección entre cámaras y tubería (2mm de tamaño
de elemento). La malla o discretizado final se muestra en la
figura 7, donde los nodos y elementos utilizados para la
solución del modelo fueron un total de 50369 nodos y
193,380 elementos de los cuales se obtuvo las líneas de
corriente o flujo del sistema. Se establecieron 100
iteraciones de equilibrio para la solución del problema y su
criterio de convergencia y para las velocidades, presiones y
energía interna fue RMS de 1e-4, [14].
2.2 Propiedades del fluido usado
El fluido utilizado para en análisis CFD fue Etilenglicol
con agua con una concentración del 50% de cada uno. Las
propiedades de dicho fluido están dadas en la tabla 3.
Tabla 3 - Propiedades del Etilenglicol-agua 50%
Propiedad Valor
Conductividad térmica (W/m K) 0.43
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Calor específico (J/kg K) 3297.63
Viscosidad dinámica (Pa s) 0.003367
Densidad (kg/m3) 1053.25
Número de Prandtl 25.82
2.3 Análisis teórico velocidades de salida de los conductos
El modelo utilizado para el cálculo de las velocidades de
salida de los conductos, que son igual a las velocidades de
entrada a la turbina, es el modelo que presenta la figura 9, el
cual es usado tanto para retropié como antepié.
Figura 9 – Esquema de cámara y conductos.
Mediante las ecuaciones (1) y (2) se describe la ecuación
general de la energía expresada en términos de cargas, con
balance realizado del punto 1 al 2 y del 2 al 3. [13]
ltB llzgvPlzgvP 2
2
221
2
112
1
2
1
(1)
ltB llzgvPlzgvP 3
2
332
2
222
1
2
1
(2)
Donde 𝑃 es la presión en el punto indicado, la densidad
del fluido utilizado está dada por 𝜌, 𝑣 es la velocidad del
fluido en cada punto, 𝑧 es la altura a la que se encuentra el
punto respecto al sistema de referencia, 𝑙𝐵 es la carga
entregada al fluido por la bomba la cual no hay, 𝑙𝑡 es la carga
que extrae la turbina del fluido que tampoco se encuentra en
el sistema, g es la gravedad y 𝑙𝑙 es la perdida de carga debido
a los componentes del sistema de tuberías, la cual esta
descrita por la ecuación (3).
2
2
prom
l
v
d
Lfl
(3)
Donde 𝐿 es la longitud de la tubería, 𝑑 el diámetro,
𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 es la velocidad del flujo promedio y 𝑓 el factor de
fricción definido por las ecuaciones (4) y (5) para flujo
laminar y turbulento respectivamente.
promdvf
64 (4)
11.1
7.3Re
9.6log8.1
1
d
f
(5)
De las ecuaciones anteriores 𝜇 representa la viscosidad
dinámica del fluido, 𝜀 la rugosidad de la tubería y Re el
número adimensional de Reynolds descrito por la ecuación
(6).
dvpromRe (6)
Se obtuvo la relación de velocidades mediante la
igualación del flujo de entrada y salida, el esquema utilizado
para este balance se muestra en la figura 10.
Figura 10 – Esquema de flujos de entrada y salida.
El flujo está definido por la ecuación (7).
33221121 22 vAvAvAVVV ssE (7)
Del cual �̇�𝐸 es el flujo de entrada, �̇�𝑠1 y �̇�𝑠2 son el flujo
de salida 1 y 2 respectivamente, 𝐴1, 𝐴2 y 𝐴3 son las áreas en
el punto 1 ,2 y 3. Despejando 𝑃2 de (1) y (2), igualando y
sustituyendo con las ecuaciones (3) y (7) se tiene la
velocidad de salida del conducto dada por la ecuación (8).
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3
2
1
3
113
214
2
d
lf
A
A
Pzgv
(8)
Los datos que se utilizaron para el cálculo de la velocidad
de salida de los conductos se presentan en la tabla 4.
Tabla 4 - Datos utilizados para el cálculo de velocidades de salida.
Parámetro Valor
Diámetro del conducto, d3, (m) 0.003
Densidad del etilenglicol-agua 50%, ρ, (kg/m3) 1053.25
Densidad del agua, ρ, (kg/m3) 997
Presión de entrada retropié, P1, (kPa) 253
Presión de entrada antepié, P2, (kPa) 220
Altura de la entrada, Z1, (m) 0.015
Área de entrada, A1, (m2) 0.0055854
Viscosidad dinámica del etilenglicol, μe, (Pa.s) 0.003367
Viscosidad dinámica del agua, μH2O,(Pa.s) 1
Longitud del conducto 1, l1, (m) 0.049
Longitud del conducto 2, l2, (m) 0.0324
Longitud del conducto 3, l3, (m) 0.0415
Longitud del conducto 4, l4, (m) 0.033
El cálculo analítico se realizó para cada conducto
independiente, tomando en cuenta la presión ejercida por el
retropié para los conductos conectados a la cámara del
retropié y la presión del antepié para los conductos
conectados a la cámara del antepié. En la figura 11 se
muestra la numeración de los conductos, tanto los que esta
conectados a la cámara del retropié como los que están a la
del antepié.
Figura 1 – Numeración de los conductos.
Posteriormente, se presentan los resultados de las
velocidades de salida obtenidas de la ecuación (8) y se
comparan con los resultados del análisis de CFD.
3. Prototipo
Las cámaras del prototipo se fabricaron de caucho
obteniendo la forma más parecida a la propuesta. La figura
12 muestra las cámaras de caucho del retropié y antepié
respectivamente.
Figura 12 – Cámaras de caucho.
La turbina y la carcasa se obtuvieron mediante impresión
3D para facilitar su fabricación, esto para para hacer pruebas
con el prototipo. Las cuales se observan en la figura 13.
Figura 13 – Turbina y carcasa.
La turbina es protegida por la carcasa que a su vez está
conectada al motor que produce la energía, al igual que está
conectada a los conductos por donde circula el fluido de la
cámara. El prototipo del sistema completo se muestra en la
figura 14.
Figura 14 – Sistema completo.
3.1 Pruebas del prototipo
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Para llevar a cabo las pruebas del prototipo fue necesario
considerar algunas variables que afectan el desempeño del
dispositivo, como son el peso del usuario, presión aplicada,
zona de antepié y retropié, velocidad de salida en los
conductos y en la llegada de la turbina, fuerza generada en
las paredes de la turbina, así como la velocidad de giro de la
turbina, y finalmente la potencia generada por el generador.
Para estas variables sería importante que ser monitoreadas
durante la prueba del prototipo, pero eso implicaría
desarrollar un prototipo con medidores de presión,
medidores de flujo, el uso de membranas en las cámaras para
la medir presión plantar, tacómetro para saber el giro de la
turbina, etc. Por lo cual para esta primera etapa solo se
aplicaron presiones plantares en retropié y antepié y algunos
casos de desalineación de varum o valgum. Se midió el
voltaje entregado por el generador para que a través de la
resistencia del mismo medir la potencia con la ecuación (9).
R
VP
2
(9)
Donde 𝑃 es la potencia obtenida, 𝑉 es el voltaje que
entrega la medición y 𝑅 la resistencia en el generador.
Las pruebas del prototipo fueron realizadas mediante una
carga estática suponiendo todo el peso de la persona en el
área del retropié para poder generar la presión en el retropié
de 253 kPa, de las cuales se obtuvo el voltaje generado. La
figura 15 muestra el método en que se realizaron las pruebas,
en el cual se utilizó una base de madera para colocar el peso,
y la medición se obtuvo mediante un multímetro. Así mismo
se aplicó el peso correspondiente en el antepié o en su caso
en ambas zonas.
Figura 15 – Pruebas del prototipo.
4. Resultados
4.1 Resultados de la simulación
Las simulaciones CFD dieron como resultado las
velocidades de salida de los conductos ubicados en la parte
del retropié como se observa en las líneas de flujo que
muestra la figura 16.
Figura 16 – Líneas de flujo (m/s).
Los valores de las velocidades de salida en los conductos
y de las presiones ejercidos sobre los álabes fueron
obtenidos mediante un plano localizado a la salida de los
conductos como se muestra en la figura 17.
Figura 17 – Plano con perfil de velocidades (m/s).
Las velocidades y presiones que están en contacto con el
fluido que entra a la turbina obtenidas por simulación, se
muestran en la tabla 5.
Tabla 5- Resultados de la simulación CFD.
Simulación Vel.
C1
(m/s)
Vel.
C2
(m/s)
Vel.
C3
(m/s)
Vel.
C4
(m/s)
Presión
1
(kPa)
Presión
2
(kPa)
1 (Caso retropié) / / 9 8.5 162 176
2 (Caso antepié) 9 9.5 / / 148 130
3 (Caso retropié
+ % de presión)
/ / 8 7.5 90 158
4 (Caso retropié
+ % de presión)
/ / 7.5 8 130 140
5 (Caso retropié
+ temperatura)
/ / 10 8 162 176
Las variables C1… C4 son las velocidades de los
conductos de la figura 11. Las presiones 1 y 2 representan el
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resultado en las caras de los álabes de la turbina como se
muestra en la figura 18.
Figura 18 – Presiones ejercidas en los álabes.
4.2 Resultados del análisis teórico
Por otro lado, la tabla 6 muestra las velocidades calculadas
analíticamente a partir de la ecuación (8), cabe resaltar el
caso de estudio 5 no fue necesario realizar analíticamente,
porque al resolver el caso de simulación para ver el efecto
de la temperatura en las paredes externas, los resultados de
las velocidades fueron muy similares (variación de 0.5m/s),
que el caso sin considerar la temperatura (caso 1); además
de que las presiones fueron las mismas.
Tabla 6- Resultados del cálculo analítico.
Simulación Velocidad de salida (m/s)
Conducto 1 2 3 4
1 (Caso retropié) / / 7.253 7.728
2 (Caso antepié) 6.408 7.222 / /
3 (Caso retropié + % de presión) / / 6.865 7.317
4 (Caso retropié + % de presión) / / 6.456 6.883
Con los valores obtenidos se hizo una comparación, la
cual tiene como resultado los valores presentados en la tabla
7. El objetivo de comparar por dos métodos es para tener un
sustento analítico del análisis de fluidos realizado en el
presente trabajo. Además, se optó por tomar los resultados
del análisis de CFD, porque se tienen las presiones e incluso
otros parámetros como la temperatura en el fluido, caídas de
presión, etc.
Tabla 7 – Diferencias de velocidades entre simulación y analítico.
Simulación C1 (%) C2 (%) C3 (%) C4 (%)
1 / / 19.4% 9%
2 28% 23% / /
3 / / 14.1% 2.4%
4 / / 13% 13.9%
Como se puede observar en la tabla 7, los porcentajes de
error entre la simulación vs analítico son un poco altos para
algunos casos, porque los resultados de la simulación CFD
consideran varios aspectos por ejemplo el fluido se
representa en el interior del sistema (volumen de control),
tanto en ambas cámaras como en la turbina, así como la
transferencia de masa y momentum, porque se consideran
los efectos de turbulencia que se tendrían por los cambios de
sección en el sistema. Mientras que el cálculo analítico
considera que el fluido sale libremente en la salida del
conducto. Por ello esta comparación solo es para ver las
variaciones entre lo analítico y la simulación.
4.3 Resultados de las pruebas del prototipo
Los voltajes obtenidos por las pruebas en el prototipo se
muestran en la tabla 8. Aquí podemos observar que el valor
promedio fue de 1.215V, lo cual equivale a una potencia de
2.92W, quedando por debajo de los 5W requeridos para
calentar el calzado. Un aspecto importante es que se logró
tener un prototipo que puede generar energía alterna.
Tabla 8- Resultados de las pruebas del prototipo.
Prueba Voltaje (V)
1 1.298
2 0.988
3 1.281
4 1.294
5. Conclusión
Los valores obtenidos de la simulación para los casos 1 al 5
no presentan una gran variación, en promedio se tiene una
velocidad del fluido que llega a las paredes de la turbina de
8.3 m/s, a pesar de que se tiene variación en las entradas de
presión. La simulación 1 y 5 tienen una presión de 253 kPa
de entrada en el retropié con diferentes temperaturas en el
fluido y las paredes, estas simulaciones presentan una
diferencia de 10% de error en la velocidad del conducto 3,
6.25% en la velocidad del conducto 4 y la presión en los
álabes es la misma, por lo tanto, la temperatura no tiene
mucha influencia sobre el análisis y este resultado no fue
necesario generarlo analíticamente, por ello en la tabla 6
solo se presentan los 4 casos analizados.
Se obtuvo una variación significativa entre el resultado
de CFD y el analítico, el promedio de error fue del 15%, lo
cual puede ser que el método analítico, no se consideró el
cambio de sección y los conductos se supusieron como
conductos rectos. Además, en el análisis de CFD, el fluido
simulado abarcaba ambas cámaras del sistema y el interior
de la turbina y la salida. También en la simulación se
consideró la parte inferior de la turbina mientras que en el
cálculo analítico solo se consideró una cámara y la salida del
fluido está localizada al final de los conductos.
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
ISSN 2448-5551 DM 44 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
Las pruebas realizadas en el prototipo generaron un voltaje
no suficiente de acuerdo a lo reportado en la tabla 8, esto
debido a algunos aspectos importantes que se identificaron
durante las pruebas, el primero es que se aplica una carga
estática de 70kg y durante el ciclo de la caminata se tienen
efectos de impacto de hasta 2 o 3 veces el peso de la persona.
Lo anterior da la posibilidad de tener fuerzas mayores por
ende la obtención de voltajes mayores, como ya se comentó
en el apartado 5.3. El segundo aspecto fue que al aplicar la
carga en la prueba 4 se detectaron problemas de fugas en uno
de los ductos; además de que fabricar las cámaras genero un
alto grado de complejidad ya que no pudieron fabricarse de
una sola pieza lo cual produjo que no fueran 100% flexibles.
Finalmente se puede comentar que el prototipo es
funcional y con acciones que se están implementando se
mejorará su eficiencia, para lograr tener la potencia
necesaria para calentar el calzado. Entre las cuales es
cambiar el generador por otro que entregue mayor corriente
(usar ahora un motor de 24 V), ya se buscó un método de
vulcanizado para fabricar las cámaras a través de 2 piezas y
que serán más flexibles. También ya se resolvió el problema
del sellado de ductos para evitar fugas cuando se aplique el
peso máximo.
Como trabajo futuro en una segunda etapa se
implementará un sistema que simule el ciclo de la caminata,
donde se obtendrán las presiones reales y continúas y se
obtendría la potencia que generará el prototipo.
REFERENCIAS
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