Molino de viento
camagüeyano CITA Steere
Por
Pedro González Martínez*,
Lorenzo Sarduy Valedón*
y Fernando Puente Borrero*
Viejos y nuevos saberes,
junto a tradiciones
fabriles y agropecuarias
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En Cuba, el uso de los molinos de viento es muy popular, fundamentalmente en el sector agropecuario, para el abasto de agua a la ganadería y la familia campesina. La provincia de Camagüey es líder en cantidad de unidades instaladas, en una cifra que sobrepasa las dos mil en funcionamiento. Existen muchas regiones con vientos favorables, lo que proporciona un buen potencial eólico para el bombeo de agua, y esto ocurre cuando las velocidades medias del viento son mayores de 3,5 m/s. No obstante, se reporta la explotación exitosa de aerobombas en sitios con velocidades medias del viento de hasta 2 m/s, para algunos tipos de aerobombas.
Antes de 1959 se manufacturaron molinos de viento en esta provincia, en la fábrica de bombas de agua Hermanos Steere, basado en el modelo Airmotor de origen norteamericano. Esa producción satisfacía en parte las necesidades existentes e incorporó experiencia y cultura a los obreros locales sobre la tecnología. Luego del triunfo revolucionario la fábrica, actualmente con el nombre de Fábrica de Bombas Alejandro Arias Medina (FBAAM), de la Empresa Metalúrgica de Camagüey, continuó su quehacer y se realizaron ensayos con otros modelos, como el Taíno MV-822 y los Gaviotas 2-9 y 3-9, pero no se llegó a estandarizar la producción.
Durante las dos últimas décadas estos equipos han sido mayormente importados, dejándose de explotar las capacidades disponibles de fabricación, ya sea por falta de materia prima u otras razones que han conspirado contra esta industria local. Es imperativo que se logren explotar las capacidades existentes y de esta forma realizar producciones endógenas que permitan la aplicación de esta noble tecnología.
En este contexto surge la idea de inducir la fabricación de un nuevo modelo tipo Delta, de origen canadiense, que fue introducido en Cuba a través de un proyecto de colaboración financiado por la Agencia de Desarrollo Internacional Canadiense (CIDA), y ejecutado por la empresa Suncurrent Ind. de Canadá y el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA). Con el propósito de rescatar las capacidades para la fabricación de molinos de viento en la provincia de Camagüey y disminuir las importaciones, el CITA y la FBAAM emprenden un proyecto que resulta en el molino de viento camagüeyano CITA Steere.
Este molino es considerado una aerobomba de segunda generación, grupo que surgió a partir del intento por superar las limitaciones que aún persisten en el molino tradicional para su aplicación extensiva en los países en vías de desarrollo. La mayor parte de estas máquinas fueron desarrolladas después de 1975 por varios fabricantes y organizaciones, como IT Power en Inglaterra, Gaviotas en Colombia, CWD en Holanda, Vita en EE.UU., CAAMS en China, entre otras. En Cuba también se han realizado varios esfuerzos en este sentido.
Los objetivos del diseño de estas nuevas aerobombas son, fundamentalmente:
• Más bajo costo inicial.
• Menor peso de la estructura.
• Manufactura, producción y mantenimiento sencillos.
• Mayor eficiencia.
Estas modernas aerobombas de bajo peso trabajan también con bombas de pistón y se caracterizan por el uso de materiales estándar, disponibles en el mercado (rodamientos, tuberías, angulares, etc.), la ausencia de elementos fundidos y de cajas reductoras. Otro parámetro fundamental para disminuir el peso y el costo, es la reducción del torque de arranque de la bomba, lo que permite la utilización de pocos álabes (3-8 álabes para bajas cargas), por medio de un pequeño agujero en el pistón; de esta forma, el torque de arranque es casi nulo y la velocidad del rotor aumenta. El efecto de fuga de líquido por el agujero es despreciable.
La eliminación de la caja reductora hace que la bomba trabaje con mayor velocidad, lo que aumenta las cargas sobre la bomba y disminuye la vida útil si la máquina no ha sido diseñada adecuadamente.
Una de las desventajas fundamentales de este tipo de máquinas es que solo son capaces de trabajar a bajas cargas, como consecuencia de las transformaciones del rotor y la transmisión.
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Fig. 1. Rotor del molino de viento CITA Steere.
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El molino de viento camagüeyano CITA Steere (Fig. 1), se diferencia de los molinos de segunda generación tradicionales típicos con 5 u 8 palas largas, al poseer 24 palas cortas con geometría tipo delta de diseño holandés y dispuestas en todo el perímetro del rotor, lo cual aumenta la eficiencia del rotor. El diámetro del rotor es de 2,44 m. La torre presenta una forma piramidal de tres patas con angulares conformados, sujeta al suelo sobre base de hormigón y una altura variable que puede ser de 3,05 m, o de 6,1 m, en dependencia de las características del lugar (pozo, velocidades del viento, topografía) donde se va a instalar el equipo.
Este molino, transferido por el CITA a la FBAAM, fue derivado del molino de viento Delta F-8 de fabricación canadiense, que se introdujo en Cuba en el 2004, instalándose en la provincia de Camagüey cinco equipos Delta F-8; estos se encuentran actualmente trabajando (ocho años), lo que ha servido de referencia para corregir y mejorar algunos de sus componentes, con el fin de aumentar su vida útil.
Este molino no requiere de una industria desarrollada para acometer su producción, ni el empleo de materiales especiales de difícil adquisición en el mercado nacional o internacional. Los costos de producción y de venta se estiman en 50% por debajo con respecto a otros modelos de molinos de viento que se comercializan en el país, por ejemplo, el Veleta: 2 384,51 CUC; el Huracán en el orden de 2 300,00 CUC, aproximadamente.
Detalles sobre el diseño del CITA Steere
El rotor tiene un diámetro de 2,44 m (8 pies) y está conformado por veinticuatro palas en forma de delta, ubicadas en el perímetro del rotor. Están construidas de chapa de acero galvanizado de 1 mm de espesor, acorde a la disponibilidad de este material en el mercado, y van dispuestas entre dos aros construidos de planchuela de 3 x 32 mm, divididas en tres secciones. Los diámetros se han previsto de acuerdo con la altura de las palas, de forma que el aro exterior tenga el diámetro nominal del rotor, y el interior tenga un diámetro que permita su montaje. Estas particularidades permiten mayor aprovechamiento de la energía del viento (mayor eficiencia energética) y facilitan el arranque con una velocidad del viento menor (2 m/s) que la de otros molinos ya conocidos. En caso de huracanes u otros eventos meteorológicos adversos, el rotor puede desmontarse sin mucha complejidad dado su bajo peso.
La veleta es el órgano que ubica al rotor de frente a la corriente de aire, está formada por una estructura de perfiles de acero ensamblados mecánicamente, y la veleta propiamente dicha; se construye en dos partes, una superior y otra inferior, elaboradas de chapa de acero galvanizado de 1 mm de espesor. Tiene la forma y tamaño apropiados para garantizar su función, y se fija a la estructura con 12 tornillos iguales a los mencionados para la fijación de las aspas a los aros del rotor.
La transmisión del movimiento del rotor a la bomba no se efectúa con caja reductora de engranes, sino a través de un mecanismo articulado de cuatro elementos (manivela-biela-balancín-soporte), mediante el cual se convierte el movimiento de rotación del rotor en movimiento alternativo de la varilla, la cual acciona la bomba.
Las características más significativas son:
• Mecanismo de accionamiento directo.
• Construcción de acero soldado y con fijaciones mecánicas.
• Árbol principal y biela montada en rodamientos.
• Apoyo en la torre mediante rodamiento planetario.
La torre está construida de perfiles de acero conformados en frío. A diferencia de los molinos tradicionales cuyas torres son de cuatro patas, esta es de tres patas, hechas de perfiles en forma de canal con alas a 60° entre ellas; construida de chapa de acero de 2,5 mm de espesor. Para facilitar su construcción, estas patas se subdividen en tramos de 1,5 m, aproximadamente, las cuales se ensamblan mecánicamente por medio de otra pieza de un perfil similar llamada cajuela.
Este modelo puede accionar con bombas de desplazamiento positivo de 2 o 3", y una válvula de pie, que puede ser de 1¼ o 1½", en función del diámetro de cilindro que se emplee, la cual se enrosca en un niple por debajo del cilindro.
La instalación se completa con el conjunto de empaque, que permite bombear a planos superiores sin que el agua se derrame. Este empaque no debe montarse en la bomba si la descarga es a un tanque al nivel de la superficie de la tierra (Tabla 1).
Tabla 1
Características técnicas principales del molino de viento camagüeyano CITA Steere

Evaluación en condiciones reales de explotación
Los especialistas del CITA, de conjunto con los diseñadores y personal con experiencia en la tecnología de la FBAAM, lograron la construcción de un primer prototipo en los talleres de la referida fábrica. El molino fue instalado en la finca El Renacer para su evaluación, llevada a cabo por el CITA, y se extendió por un periodo de un año, durante el cual se le realizaron varias modificaciones en función de mejorar su funcionamiento.
En este trabajo se utilizaron bombas de 2 y 3", con resultados favorables. A partir del procesamiento estadístico de las mediciones, a través del análisis de regresión, se obtienen las ecuaciones siguientes de las curvas características del molino CITA Steere, para un rango de velocidades de viento entre 2 y 6 m/s.
Para H = 9 m y cilindro de 3" de diámetro:
Q = –45,3919 + 33,782*RAIZ(V);
R2 = 98,28%
Para H = 15 m y cilindro de 3" de diámetro:
Q = –18,117 + 27,513*LN(V);
R2 = 99,14%
Para H = 30 m y cilindro de 2" de diámetro:
Q = –8,67234 + 12,8035*LN(V);
R2 = 99,47%
Con ayuda de las ecuaciones anteriores, se construye el gráfico que ilustra la dependencia del caudal Q (L/min) del molino, en función de la velocidad del viento V(m/s), bajo condiciones específicas de carga de bombeo H y diámetro del cilindro de la bomba (Fig. 2).
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Fig. 2. Valores promedios del caudal Q(L/min) del molino Delta Steere.
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Sobre la base de los resultados del procesamiento estadístico de las mediciones de la velocidad del viento, se asume para el cálculo de las diferentes aplicaciones una velocidad del viento promedio igual a 4 m/s. Se recomienda su uso para cargas no mayores de 15 m con cilindros de 3", y para mayores cargas hasta 30 m, emplear cilindros de 2".
Ejemplo de cálculo
Ejemplo de cálculo para cilindro de 3" y carga H = 15 m. Para una velocidad promedio del viento igual a 4 m/s, el caudal según la figura 2, es igual a 20 L/min, entonces, un bombeo diario de 8 horas es capaz de aportar 9 600 L de agua. Teniendo en cuenta las normas de consumo, se establece la cantidad de agua que se puede abastecer (Tabla 2).
Tabla 2
Normas de consumo por consumidor

La validación realizada al prototipo, en condiciones reales de explotación, a través del proceso de ensayo/prueba, observación y medición, demuestra que las modificaciones y adecuaciones de sus piezas a las condiciones tecnológicas de la fábrica, no afectan su rendimiento, así como la dependencia del caudal en función de la velocidad del viento para condiciones específicas de carga de bombeo y diámetros de cilindros (2 y 3 pulgadas), en los rangos de velocidades de viento desde 2 hasta 6 m/s. Se verificó que durante un año de pruebas el molino no presentó fallas mecánicas en su funcionamiento, y se demostró que el molino puede abastecer de agua a pequeñas fincas, con características similares a la finca El Renacer, tomada como polígono de pruebas en la investigación, comprobándose, para las condiciones de prueba, que la velocidad de arranque del molino es de 2,03 m/s.
* Especialistas y Másteres en Ciencias del Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA), Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH), Camagüey, Cuba.
e-mail: pedroglez@rhcita.co.cu
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