ANEXO I EXÁMENES Y PRÁCTICAS PRIMER EXAMEN...

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ANEXOS 361 ANEXO I EXÁMENES Y PRÁCTICAS PRIMER EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES ELÉCTRICAS 1.- Determinar la precipitación promedio sobre el área de la figura aplicando el método de Thiessen Suponer cada cuadrado de la figura igual a un kilómetro cuadrado. (25%) 18 mm 15 mm 17 mm 19 mm 13 mm 12 mm 2.- Deduzca las dimensiones óptimas para un canal de sección rectangular. (25%) 3.- Mencione los diferentes métodos que existen para la medición de la precipitación. (10%) 4.- Explique que es una chimenea de equilibrio y para que sirve. (10%) 5.- Mencione 5 de los proyectos inventariados por ENDE que no se encuentren en funcionamiento. (10%) b y

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ANEXOS

361

ANEXO I

EXÁMENES Y PRÁCTICAS

PRIMER EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES

ELÉCTRICAS

1.- Determinar la precipitación promedio sobre el área de la figura

aplicando el método de Thiessen Suponer cada cuadrado de la figura igual a

un kilómetro cuadrado. (25%)

18 mm 15 mm 17 mm

19 mm

13 mm 12 mm

2.- Deduzca las dimensiones óptimas para un canal de sección rectangular.

(25%)

3.- Mencione los diferentes métodos que existen para la medición de la

precipitación. (10%)

4.- Explique que es una chimenea de equilibrio y para que sirve. (10%)

5.- Mencione 5 de los proyectos inventariados por ENDE que no se

encuentren en funcionamiento. (10%)

b

y

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CENTRALES ELÉCTRICAS

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6.- Cuáles son las funciones de la cámara de carga. (10%)

7.- Qué son los pluviómetros y los pluviógrafos y cuál es su diferencia

(10%)

SEGUNDO EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES

ELÉCTRICAS

1.- Explique el fenómeno de la Cavitación (10%)

2.- Explique el funcionamiento del siguiente regulador cuando la carga

disminuye. (10%)

3.- Describa y explique el funcionamiento de la turbina de flujo cruzado

(10%)

4.- Cómo se regula el caudal en una turbina Francis. (10%)

5.- Una tubería de fundición tiene las siguientes dimensiones L = 487 m, e

= 12 mm, D= 1,17 m La velocidad en la tubería es V1 = 5,6 m/seg el caudal

es de 2,85 m3/seg. y la altura de carga es de 340 m. Determinar a) El tiempo

de cierre mínimo para que la sobrepresión al final de la tubería no exceda

del 60% de la presión estática. b) El tiempo en el cual se produce la presión

máxima c) Cuál será la máxima presión que se producirá al final de la

tubería si el tiempo de cierre es de 1,85 seg. d) La sobrepresión si el cierre se

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ANEXOS

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produce en 0,8 seg. e) Qué depresión se producirá cuando se abra el

distribuidor de la turbina en un tiempo de 3,3 seg., cuando la turbina se

encuentra trabajando al 50 % de la plena carga.

EXAMEN FINAL ELT 3611 CENTRALES ELÉCTRICAS

1.- Cuando faltan los datos de una estación, siempre se puede estimar el

valor de la precipitación tomando el promedio de las tres estaciones más

cercanas.

Falso porque

.........................................................................................................................

..........

Verdadero porque

.........................................................................................................................

..........

2.- El método de RIPPL sirve para

.........................................................................................................................

.........

3.- Se llaman isoyetas a las curvas que representan el mismo nivel de

descargas atmosféricas

Falso, porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero, porque

.........................................................................................................................

.........

4.- El valor exacto del voltaje generado por el estator es controlado por:

.........................................................................................................................

..........

5.- Para evitar el calentamiento de las chapas del estator por corrientes

parásitas o de Foucault se debe

………………………………………………………………………………

……

6.- Puesto que la tensión de un alternador debe mantenerse constante la

intensidad del flujo del campo giratorio es constante

a) verdadero b) falso c) no se puede determinar d) Ninguna

alternativa.

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CENTRALES ELÉCTRICAS

364

7.- Un Pluviógrafo registra la precipitación instantánea y no permite la

lectura de la misma en cualquier momento posterior.

a) Falso b) Verdadero c) ................................. d) Ninguna

alternativa

8.- El desgaste de las piezas metálicas que están en contacto con el agua se

debe a:

.........................................................................................................................

..........

9.- La turbina turgo es una turbina de reacción

a) Falso b) Verdadero c) ..................................d) Ninguna

alternativa

10.- Cuales son las diferencias entre una turbina a gas y una turbina de vapor

.........................................................................................................................

..........

11.- El número de álabes de una turbina Pelton depende de la fórmula

152

a

DN

d , por tanto, es menor cuanto menor es el caudal.

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.........................................................................................................................

.......

12.- Las represas de bóveda se instalan con preferencia en lugares de

paredes rocosas y gargantas estrechas .

Falso porque

………….........................................................................................................

........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

13.- La eficiencia de las turbinas térmicas es mejor para las centrales de ciclo

combinado

Falso Verdadero

.............................................................................

14.- Es conveniente y factible generar la energía eléctrica con factor de

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ANEXOS

365

potencia unidad

Falso porque

.........................................................................................................................

........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

15.- Escriba los nombres de cinco partes de una central térmica de vapor

.........................................................................................................................

..........

16.- El relé diferencial permite proteger contra cortocircuitos entre espiras

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

17.- En una pequeña instalación de generación eléctrica, a pesar de existir

variaciones de carga se puede generar a potencia constante. Cuando la carga

baja, el excedente de energía se utiliza para calentar el agua de una piscina

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

18.- ¿Qué es el mantenimiento correctivo?

.........................................................................................................................

..........

19.- Se puede adaptar una turbina de avión para generar energía eléctrica en

una central térmica a gas

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

20.- Escriba los cuatro tiempos del motor diesel

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CENTRALES ELÉCTRICAS

366

.........................................................................................................................

..........

21.- Señale 3 aspectos a controlar o reparar en el mantenimiento de una

tubería

.........................................................................................................................

........

22.- Una turbina de vapor puede trabajar quemando diferentes clases de

combustible el cual es mezclado con el vapor para impulsar la turbina

a) Falso b) Verdadero c) N.A.

23.- En una inspección del banco de baterías se ha constatado líquido

insuficiente por evaporación. Se debe:

a) Añadir agua acidulada b) Añadir ácido sulfúrico c) Añadir agua

destilada.

24.- Una central térmica de ciclo combinado utiliza los gases de combustión

de la turbina a gas para calentar el agua de una turbina de vapor.

a) Falso b) Verdadero c) N.A.

25.- Un rotor ha adquirido humedad después de efectuar un mantenimiento.,

el mismo se puede poner en funcionamiento sin necesidad de secarlo puesto

que la temperatura normal de funcionamiento de un generador es elevada y

secará el rotor cuando empiece a trabajar

a) Falso b) Verdadero

26.- En una turbina de vapor se puede recalentar el vapor luego que éste

atraviesa la turbina para volver a utilizar el vapor

Falso porque

…………….....................................................................................................

Verdadero porque

............................,,,,,,,,,,,,,,,,,,,......................................................................

27.- Escriba 9 nombres de centrales eléctricas que se encuentran trabajando

en Bolivia.

…………………………………………………..............................................

.....

28.- Si se da al canal de aducción una inclinación mayor para aumentar la

velocidad del agua en el canal se ahorra en sección, por tanto el canal resulta

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ANEXOS

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más económico aunque se disminuye el salto útil, por tanto, no es

conveniente dar mucha inclinación al canal

a) Falso b) Verdadero c)…..……………………………

29.- Por qué se comprime el aire de entrada en una turbina a gas

.........................................................................................................................

..........

30.- Dibuje la forma de la sección del chorro de agua que impacta en la

turbina de Flujo Cruzado.(Corte transversal del chorro, no del rodete)

31.- ¿Por qué se divide el chorro de agua de una turbina Pelton en dos, tres

o más toberas.?

.........................................................................................................................

32.- Es conveniente que la temperatura del aire de entrada de una turbina a

gas sea la más elevada posible

a) Falso porque

…………….....................................................................................................

b) Verdadero porque

……………..........................................................................................

33.- Señale el valor de θ para ζ =1,4 y ρ = 2,6 en caso de sobrepresión

debida al golpe de ariete.

Respuesta...................

34.- En una tubería que trabaja con H=388 m y carga parcial se ha

determinado

ρ = 2 θ = 3 ¿Cuál es la depresión obtenida?

Respuesta ....................

TRABAJOS PRÁCTICOS

PRÁCTICA Nº 1

1. Investigue y explique el funcionamiento de una Central Maremotriz

2. Investigue y explique el funcionamiento de una chimenea de

equilibrio o pozo piezométrico.

3. Investigue como funcionan la Plantas Hidroeléctricas de

acumulación de Bombeo

4. Explique los siguientes conceptos: Potencia instalada. Factor de

carga. Factor de demanda. Factor de instalación. Utilización anual.

Factor de utilización. Factor de reserva. Reserva Rotante, Reserva

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CENTRALES ELÉCTRICAS

368

Fría.

5. Explique qué es un ariete hidráulico y como funciona.

PRÁCTICA Nº 2

Utilizando el método de Thiessen y el método de las Isoyetas, determine la

precipitación promedio sobre las siguientes áreas (Considere que cada lado

de los cuadrados tiene 4 Km. y que las precipitaciones están dadas en mm):

a)

16

13

17

14 9

b)

7 5

11

10 6

9

2.-Suponga una tubería de acero de L=805 m, diámetro de 1,4 m, espesor

de 16 mm. Trabaja bajo una altura de carga de 510 m y un caudal de 12

m3/seg. La velocidad de régimen es de 18 m/seg. Determinar a) La depresión

que se obtendrá cuando se abra el distribuidor en 1,2 seg para un caudal de

0,5 de la plena carga. b) El tiempo de cierre mínimo para que la

sobrepresión al final de la tubería no exceda de 800 m de columna de agua.

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ANEXOS

369

3.- Una tubería de fundición está compuesta de dos tramos el primero tiene

una longitud de 255 m diámetro de 90 cm y espesor 12 mm, el segundo

tramo hacia arriba tiene una longitud de 344 m diámetro de 98 cm y espesor

de 10 mm. Trabaja con una altura de carga de 500 m y un caudal de 5,2

m3/seg. La velocidad de régimen en la tubería es como promedio 7 m/seg.

Determinar:

a) El tiempo de cierre mínimo para que la sobrepresión al final de la tubería

no exceda de 300 m de columna de agua y el tiempo que demora en

producirse la sobrepresión indicada

b) La máxima presión que se producirá al final de la tubería si el tiempo de

cierre es de i) 2 seg ii) 3 seg

c) La depresión que se obtendrá cuando se abra la aguja de la tobera en un

segundo para un caudal del 55 % de la plena carga.

4.- Resolver el problema anterior si la tubería es de acero y la altura de carga

disminuye a 445 m con una velocidad promedio de 4,8 m/seg. (los demás

datos se mantienen iguales).

PRÁCTICA Nº 3

1. Haga una investigación acerca de la construcción de túneles para su

aprovechamiento en instalaciones hidráulicas.

2. Explique e investigue acerca de la generación de Potencia

Reactiva y su regulación en un generador

3. Investigue de cuántas formas se efectúa la ventilación de los

generadores.

4. Explique cómo se efectúa el reparto de la carga de la red entre

dos generadores que trabajan en paralelo.

PRÁCTICA Nº 4

Haga un resumen manuscrito del Anexo 2 ABRASIÓN EN LA

MAQUINARIA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS en un

mínimo de 5 páginas

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CENTRALES ELÉCTRICAS

370

ANEXO 2

ABRASIÓN EN LA MAQUINARIA DE CENTRALES

HIDROELÉCTRICAS

Autores: Herbert Grez, Andreas Schacheamann (Sulzer Ibnotec)

La explotación intensificada de la fuerza hidráulica incrementa la bien

conocida erosión hidroabrasiva de las turbinas e instalaciones de centrales

hidroeléctricas. Esta erosión hidroabrasiva debe minimizarse a nivel

mundial. Mientras que en las centrales hidroeléctricas ya existentes las

contramedidas que se toman tienen un carácter limitado, los nuevos

proyectos de instalaciones ofrecen múltiples posibilidades para dominar el

efecto de la abrasión. Desde hace muchos años, Sulzer como consorcio

tecnológico con obligaciones en todo el mundo, viene realizando numerosos

esfuerzos en la colaboración con los clientes, divisiones de producto y

departamento de investigación central, al objeto de vencer de modo efectivo

la abrasión. A estos esfuerzos se ha unido el Fondo Nacional de

Investigación de Energía, con una participación financiera para la

investigación de la abrasión.

Fig. 1 Daños ocasionados por las partículas sólidas en el agua

Desde los comienzos del aprovechamiento de la energía potencial del agua

glaciar en los países alpinos, se vienen produciendo daños por erosión

hidroabrasiva que perjudican la disponibilidad de las instalaciones de las

centrales hidroeléctricas.

La tendencia al ahorro de los costos en los últimos años, que se traduce en la

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ANEXOS

371

adquisición de máquinas cada vez más pequeñas y de mayor número de

revoluciones, en la explotación de saltos más altos, así como en las

crecientes ampliaciones y construcciones de presas en regiones montañosas

como los Andes o el Himalaya, ha conducido también a un aumento de la

erosión por abrasión. Estamos obligados a tomar medidas para minimizar la

erosión por abrasión. En las centrales hidroeléctricas existentes, las medidas

que se toman se limitan simplemente a la sustitución de los componentes

más resistentes por otro material o bien utilizar recubrimientos más

resistentes a la abrasión. Como la erosión por abrasión representa una de las

características de sistema controlada por numerosas magnitudes de

influencia si no es la simple característica del material, las medidas

únicamente basadas en los materiales tan sólo ofrecen mejoras limitadas. En

muchos casos, sin embargo, conducen a una disponibilidad satisfactoria de

las instalaciones.

Un tratamiento posterior del agua por sedimentación mejorada puede reducir

a veces la erosión por abrasión. También ha dado buen resultado el absorber

las capas superiores de agua con menos materia sólida y partículas más

pequeñas.

Actualmente, se ofrecen múltiples medidas de ingeniería y de proceso en

instalaciones nuevas en proyecto. Con las medidas adecuadas la abrasión se

puede dominar de tal manera que las instalaciones puedan alcanzar una alta

disponibilidad por muchas décadas, con gastos de mantenimiento

razonables. Esto requiere de una estrecha colaboración entre proyectistas y

diseñadores, explotadores futuros, institutos de financiación y

suministradores.

Entre los usuarios de las centrales hidroeléctricas también se perfila la

tendencia a conseguir garantías de abrasión, que son habituales como

procedimiento obligatorio en las recomendaciones del IEC (International

Electrotechnical Commission), en el caso de los daños de cavitación.

Por parte de la central, esto requiere un conocimiento y control de la

cantidad de substancias sólidas, a veces muy variable en su tipo y

composición, así como de informaciones sobre el manejo de las máquinas.

En lo que se refiere a la maquinaria, el diseñador debe poseer un extenso

Know How de los mecanismos de los daños y los parámetros que pueden

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CENTRALES ELÉCTRICAS

372

influenciar en los mismos. Las tareas del ingeniero abarcan los campos de

física hidrodinámica, geología, ciencias del material, construcción tribología,

simulación de procesos y entre otros más una serie de de campos científicos

especiales, que llegan a dar resultados eficientes tan sólo con la estrecha

colaboración de los especialistas.

MORFOLOGÍA DE LOS DAÑOS EN CENTRALES

HIDROELÉCTRICAS

La erosión por abrasión que se presenta en centrales hidroeléctricas se

origina por agua que contiene entre algunos pocos cientos de gramos y kilos

de substancias sólidas. En general se trata de rocas finamente molidas por la

erosión y el transporte y su tamaño oscila entre algunos pocos y 100 μm de

diámetro. No obstante existen fenómenos climatológicos o geológicos de tal

magnitud que cargan algunos ríos con hasta 350 kg/m3, lo que equivale a

un transporte de lodo. A menudo la sustancia sólida se compone de barro

finísimo de poca agresividad, los daños de mayor magnitud observados hasta

ahora se produjeron frecuentemente por aglomeraciones de sustancias

sólidas condicionadas por las estaciones, de entre 1 a 5 kg/m3, que eran

predominantemente pedazos de cuarzo del tamaño de 50 a 300 μm, como

suelen aparecer durante el deshielo y las lluvias monzónicas.

Las formas características de los daños en los lugares mas propensos a la

erosión dependen de las fuerzas que influyen sobre las partículas sólidas.

Entre ellas se cuentan la potencia de arrastre de la corriente, la corriente

relativa entre partículas y líquido exento de sustancias sólidas, la

gravitación y las fuerzas de elevación en vertical así como la fuerza de

inercia vertical a la aceleración transversal de las partículas. Daños

perceptibles en las superficies de los componentes de las máquinas aparecen

en aquellos lugares, donde las partículas sólidas de mayor dureza se

presionan contra ellas con suficiente alta velocidad y se arrastran a lo largo

de ella. Se producen entonces rascaduras con desprendimiento de materiales.

(fig. 3)

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ANEXOS

373

Fig. 3 Una partícula sólida es presionada por la corriente con la fuerza

FpC2/Rw contra una superficie fija y arrastrada a todo lo largo con la

velocidad Vp, con lo que se produce una grieta desprendedora de

material

Las superficies expuestas al ataque de abrasión en los componentes de las

centrales existentes pueden dividirse generalmente en dos tipos: en el área

de velocidad baja están las paredes que conducen el agua, de hormigón o de

acero no inoxidable, que normalmente está protegido contra la corrosión por

una capa elástica de varios milímetros de espesor.

En el área de velocidad alta, es decir en los dispositivos distribuidores y

rodetes, las superficies son de acero brillante, preferentemente de martensita

blanda resistente a la corrosión. La Austerita y los aceros de manganeso no

inoxidables poseen la resistencia a la corrosión muy inferior.

En velocidades relativas bajas, fuerzas de presión inferiores (pocos cambios

de dirección de la corriente) y poca masa de partículas, la energía de

destrucción es menor que en el choque o bien en el arrastre, quedando

posiblemente absorvida por la elasticidad de la superficie del material de

las máquinas. Debido a las velocidades inferiores no se presentan daños de

abrasión en los tubos conductores (tuberías de impulsión) y en tuberías

circulares así como en espirales de superficies suficientemente

dimensionadas.

Siguiendo la dirección de la corriente aparecen ahora nervios o paletas de

apoyo, que en determinados casos desempeñan la función de guía de

corriente. Aquí, según la diferencia de la dureza y velocidad relativa se

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CENTRALES ELÉCTRICAS

374

esperan daños muy reducidos y hasta sin importancia en los bordes de

entrada, en la periferia, posiblemente también en sus superficies.

Fig 4 Aguja de tobera erosionada Fig 5 Anillo de tobera Pelton

desgastado

En las superficies de los tubos conductores de las turbinas, en las que la

velocidad de la corriente aumenta en el sentido de la corriente, aparecen las

típicas muestras acanaladas de la erosión de la superficie. Las puntas de

tobera (fig. 4) y los anillos de las toberas (fig5) de la turbina Pelton se

desgastan en los puntos de máxima velocidad local y cambio de sentido de la

corriente. Los álabes de guía de la máquina radial (fig. 6) muestran en la

mayoría de las veces una erosión de superficie tan sólo en las superficies que

están cara al rodete. A ello se une una serie de efectos secundarios. Por una

parte es la corriente de separación que, entre las caras frontales de los álabes

móviles y la contratapa firme, produce daños considerables debido a la alta

velocidad relativa (fig. 8) . Por otra parte delante de los bordes de entrada de

los álabes, como en la periferia del anillo de protección, puede observarse

una formación de un cráter (fig. 9), también llamado efecto pilar, cuyo

origen de buscarse en la formación de remolinos. Estos remolinos en forma

de herradura se observan en todos los cortes de pilares, perfiles, barras, etc.

Con paredes llanas. (fig. 10)

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ANEXOS

375

Fig. 6 Superficies de abrasión en la cara anterior de un álabe directriz

de una turbina Francis de acero inoxidable

Socavados de tal origen se hallan también en los bordes de entrada de ruedas

radiales. Los Canales de los rodetes mismos presentan huellas de erosión de

superficie (fig. 12 y 13), que difieren en uniformidad según la respectiva

velocidad del lugar y el cambio de dirección.

Fig.8 Abrasión en el anillo inferior Fig.9 Formación de cráter delante

de la rueda directriz del borde de entrada del álabe

Erosión progresiva del material en superficies, bordes de entrada, paredes

laterales, etc. Provocan una superposición recíproca de los daños

individuales, por la que pueden surgir retrasos y adelantos adicionales con

determinadas formaciones de remolinos, que finalmente acaban con la

destrucción total del componente de la máquina (figs. 13 y 14).

Asimismo, son importantes los daños de abrasión ocasionados en las juntas

laberínticas (fig.15), cuyas alteraciones geométricas no sólo aumentan las

perdidas por fuga, sino que también alteran la fuerza axial hidráulica que se

ejerce sobre el rotor y con ello la carga del soporte de empuje. Por

consiguiente, existe un gran interés por formas y materiales de laberinto de

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CENTRALES ELÉCTRICAS

376

mayor resistencia abrasiva.

Fig 10 Corriente de intersección en el borde de entrada con una pared

lateral, mostrada aquí con el ejemplo de un cilindro

Fig. 12 Superficie de abrasión en la Fig.13 Sup. Abrasión en

cangilón Pelton

parte de aspiración del álabe y

corona del álabe de turbina Francis

CRITERIOS PARA EL PROYECTO DE INSTALACIÓN

Si antiguamente las centrales hidroeléctricas se planificaban y optimizaban

para agua limpia como líquido de funcionamiento, basándose solamente en

una determinada cantidad de agua y una determinada altura de salto, sin

considerar los posibles daños de abrasión, en el futuro merecerá asimismo

llevar a cabo el análisis de las propiedades de las sustancias sólidas.

El tratamiento primario de la erosión comienza por la sedimentación en los

depósitos de retención, que requieren un lavado adecuado, puesto que de no

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ANEXOS

377

ser así, tarde o temprano, los sedimentos.colmatan el depósito Las enormes

cantidades de material transportadas por los ríos tropicales en los periodos

monzónicos, `por ejemplo, se previenen con desarenadotes de lavado

continuo, que ante todo separan partículas de un tamaño de 0,3 mm.

Fig.14 Daños totales en una rueda Pelton como consecuencia de una

reducción progresiva del grosor de la pared por abrasión

La comparación de los análisis granulométricos de diversos afluentes de

centrales hidroeléctricas, indican las características comunes, siendo los del

Himalaya los que muestran una tendencia a una arena más gruesa.

¿CUÁNTAS TURBINAS Y DE QUE TIPO?

Para la planificación de una central misma es prioritario llegar a un acuerdo

acerca del número de máquinas. Para ello es necesario compaginar el

volumen de inversión, con la disponibilidad de una reserva mínima, en caso

de que faltara una unidad, y la exigencia de un funcionamiento más o menos

óptimo de las máquinas en peligro de abrasión. La selección del tipo de

máquina se efectuará según el área de aplicación condicionada por la

hidrodinámica y la resistencia de los diferentes modelos de construcción, en

función de la altura de salto, es decir, por ejemplo, turbinas axiales para el

ámbito de máxima presión. En los márgenes de la altura de salto, en las que

coincide la aplicación de los dos modelos, puede tomarse la decisión por

otros criterios.

Las máquinas radiales parecen ser muy propensas a la erosión,

puesto que el grado de rendimiento de la turbina reacciona de

manera especial y con gradiente empinado a aumentos de juego

entre los álabes y sus anillos protectores. No obstante, el agua

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CENTRALES ELÉCTRICAS

378

arenosa también reduce el grado de rendimiento de las máquinas no

erosionadas en proporción al contenido de las sustancias sólidas.

La cavitación debe evitarse o bien reducirse al mínimo, puesto que

el efecto simultaneo de abrasión y cavitación produce una

potenciación recíproca de los mecanismos dañinos. Por un lado, las

partículas sólidas incrementan la capacidad de evaporación local del

líquido y favorecen la cavitación. Por el otro, la erosión provoca que

la geometría de los bordes de entrada empeoren hacia una mayor

sensibilidad a la cavitación. A su vez si el agua contiene substancias

sólidas, la distribución de la presión de un perfil cavitante se altera

de tal modo que la zona de cavitación pueda aumentar.

El proceso de erosión se acelera considerablemente, si por razones de

cavitación de las superficies de los perfiles, están rayadas, o bien, socavadas

como un corcho, puesto que las islas de material que sobresalen en la

corriente están expuestas a un desgaste erosivo mucho mayor que las

superficies lisas.

Los costos de construcción para centrales hidroeléctricas equipadas con

turbinas Francis pueden incrementar por la exigencia de una cota de

instalación conservadora baja que evite cavitaciones.

Otro criterio para la selección del tipo pueden ser las posibilidades

de recambio o reparación de piezas en la máquina desgastadas que

aquél ofrezca. En el margen de coincidencia Francis/Pelton este

argumento habla claramente a favor de la máquina Pelton, cuyas

piezas desgastadas son de rápida sustitución, si se comparan con el

procedimiento aparatoso en las turbinas Francis. A ellos e une la

posibilidad de reparación más simple del soldar.

Un inconveniente de la turbina Pelton es, sin embargo, la mayor inversión

inicial causada por las revoluciones inferiores del grupo de máquinas. Por

ello también pueden resultar encarecimientos en la construcción. No

obstante, su curva característica de rendimiento más llana indica que la

pérdida energética queda más que compensada debido a la altura libre entre

la turbina Pelton y el nivel inferior.

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ANEXOS

379

CRITERIOS DE TÉCNICA MECÁNICA

Si bien en el transcurso de la planificación de las instalaciones, el

constructor ha seleccionado el modelo de construcción, potencia unitaria y

revoluciones, aun le restan una serie de opciones que elegir, para configurar

las máquinas con bajo grado de abrasión. Los criterios del proyecto deberán

aclararse previamente con el futuro usuario y responsable de la inversión.

Del mismo modo que en el planeamiento de las instalaciones, debe

examinarse si se prefiere una inversión inicial inferior, excluyendo en la

evaluación los trabajos de mantenimiento, o si es preferible realizar un

cálculo de gastos total para un tiempo determinado como base decisiva.

DIMENSIONAMIENTO Y COSTRUCCIÓN

Desde el punto de vista de la física, las secciones transversales de las piezas

conductoras de corrientes de agua, como las tuberías de impulsión, los

órganos de cierre, las espirales y entradas, y las dimensiones tanto de la

turbina directriz como de las toberas, deberán elegirse de tal magnitud, que

los daños por erosión en los materiales se mantengan en un mínimo, bajo las

condiciones dadas de la corriente. Mientras que en agua de servicio exento

de las sustancias sólidas deben tenerse en cuenta los contornos hidráulicos,

las pérdidas mínimas de corriente y el rendimiento máximo posible, las

máquinas expuestas a sustancias sólidas deben diseñarse siguiendo criterios

de mínima erosión. Según se valoren los criterios, esto puede suponer una

leve pérdida del rendimiento.

En todo caso, la conducción de la corriente debe seleccionarse de tal manera

que exista la menor cantidad de cambios de dirección y se eviten

desprendimientos y remolinos, para que dentro de la máquina y de los

órganos de cierre no se formen trampas arenosas que pudieran llenarse de

sustancias sólidas. Las grietas circuladas deberían evitarse, obstruirse con

juntas o minimizarse en su largura. En caso de que se disponga de agua

exenta de sustancias sólidas, o exista la posibilidad de prepararla

económicamente, los laberintos o retenes para ejes deberán poderse lavar

contra la corriente, en un caso dado sólo temporalmente, cuando se

presenten sustancias sólidas en gran cantidad.

Los perfiles de los álabes de las máquinas radiales y axiales deben diseñarse

según el criterio de una distribución de presión lo más llana y continua

posible, teniendo en cuenta que por el cálculo de las trayectorias de las

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CENTRALES ELÉCTRICAS

380

partículas sólidas pueden resultar condiciones restrictivas para el servicio:

Esto afecta tanto al aspecto de carga como al de altura del salto.

Una exigencia principal a la construcción es el rápido recambio de piezas de

máquinas desgastadas. Aquí deben tenerse especialmente en cuenta aquellos

componentes, en los que aparecen las mayores velocidades relativas o

aceleraciones transversales más grandes. En comparación, en las máquinas

Pelton esto es bastante simple y rápido con el cambio del rodete, de la aguja

y del anillo de la tobera.

Para sustituir los collares del laberinto, los álabes y sus anillos protectores,

que son las piezas más afectadas de las máquinas radiales, es necesario

desmontar la máquina entera hasta la espiral, a menudo alojada en

hormigón.

El desmontaje del rodete por la parte del generador o por la parte del tubo

aspirante, hace imprescindible el desmontaje de piezas importantes, por lo

que es necesario invertir más tiempo en el nuevo y esmerado montaje, y en

el reajuste de los juegos deseados y de las piezas de ajuste revisadas.

EL FUNCIONAMIENTO ÓPTIMO MINIMIZA LA ABRASIÓN

Según el modo de funcionamiento y de aplicación se puede ejercer una gran

influencia tanto en los daños locales como en la completa erosión por

abrasión de lavado de una central hidroeléctrica. Por ejemplo, para una

central hidroeléctrica con máquinas radiales con una potencia suministrada

determinada, la abrasión será mínima, si la potencia se produce por una o

pocas máquinas. De esta manera es posible obtener un rendimiento óptimo,

lo que produce mínimas pérdidas, mínimas velocidades relativas en el

ámbito de la corona directriz y óptimos ángulos de ataque de la corriente. En

cambio, el funcionamiento parcial de un mayor número de máquinas con la

misma potencia sumada produce velocidades relativas elevadas en la corona

directriz, mayores pérdidas de impulso en las rejillas de los álabes guía y de

las paletas, y en total un grado elevado de turbulencias. Un efecto análogo

surge en las centrales hidroeléctricas Pelton en las que la velocidad relativa

local no depende o apenas depende de la carga de la máquina. Asimismo, la

frecuencia de contacto de las partículas sólidas con la superficie de la

máquina mojada en el ámbito de la aguja de la tobera y del rodete influyen

muy poco en el rendimiento de la máquina. No obstante, el reparto del

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ANEXOS

381

rendimiento en una central hidroeléctrica en muchas máquinas que trabajan

en servicio de carga parcial, también producirá un perjuicio integral de la

central que el servicio de pocas máquinas a plena carga.

MECANISMOS DE DAÑOS Y SU ANÁLISIS

El proceso de hidroabrasión viene ocasionado especialmente por el

transporte de partículas sólidas abrasivas próximas a una pared. Una parte de

las partículas sólidas que el agua transporta por una máquina hidráulica

fluyen próximas a la superficie por la fuerza centrífuga: Al chocar contra la

pared se producen contactos con arranque de material que refrenan las

partículas. Los procesos de intercambio turbulentos hacen que las partículas

sólidas vuelvan a alcanzar zonas de alta velocidad de corriente, se aceleren y

se disparen nuevamente contra la pared. La investigación experimental de

este proceso de abrasión exige la reconstrucción del equilibrio de fuerzas de

las partículas sólidas que existe cerca de la pared, en relación a las fuerzas

de capa límite. De esta manera se podrán realizar comparaciones entre los

resultados experimentales y las afirmaciones teóricas sobre el

comportamiento de la abrasión de las `partículas.

La Planta de experimentos SAPHYR (Sandabrasions Prüfanlage für

Hydraulische Radialmaschinen) montada en Sulzer Innotec corresponde en

gran parte a exigencias hechas. El concepto de instalación de ensayo permite

un rápido análisis del comportamiento de abrasión de diversos materiales

bajo condiciones equiparables a las instalaciones. Tal como se puede

apreciar en la (fig. 23),la superficie de prueba muestra acanaladuras como

las que aparecen también en piezas de máquina erosionadas de una central

hidroeléctrica (fig. 6) La gran ventaja que ofrece la instalación es que los

parámetros de ensayo más importantes se pueden variar bajo control, lo que

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CENTRALES ELÉCTRICAS

382

permite cuantificar la influencia de estos parámetros y deducir las

correlaciones que pueden utilizarse en el dimensionamiento de las máquinas.

Fig. 23 Parte del estator erosionado con Fig. 24 Área de

ensayo bajo el

Pruebas de material microscopio

electrónico

CONDICIONES DE ENSAYO

La sección transversal por la instalación de ensayo (fig 22) ilustra el

principio del funcionamiento. Una bomba se ocupa de que agua mezclada

con arena corra por una rendija entre el rotor en funcionamiento rápido y el

estator equipado con las pruebas de material (fig. 23). Se va formando una

corriente de Couette, en la que las partículas sólidas se transportan a la

superficie de las pruebas de materia para originar allí una erosión por

abrasión. El uso de tres partes con radios diferentes permite variar la

velocidad característica y las fuerzas centrifugas variando con ello también

la intensidad de abrasión. Tal como se muestra en la figura 25, debe

separarse el agua arenosa de las áreas de los cojinetes mediante una junta de

retención del agua. El agua fresca necesaria diluye la concentración arenosa

en el circuito condicionando la disposición de un rebosadero. Para que la

concentración. Para que la condición arenosa pueda mantenerse constante,

se añade continuamente arena al circuito garantizándose al mismo tiempo el

intercambio de arena. La arena que circula en el circuito procede de la

entrada de una central de grupo de hidroeléctricas Grande Dixence (Suiza)

(fig. 24), y por supuesto también se redondea oir efectos de ka erosión,

debiendo ser sustituida continuamente (fig. 25).

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ANEXOS

383

Los datos de funcionamiento seleccionados para la máquina permiten una

aceleración esencial del proceso de abrasión frente a los ensayos en

instalaciones. En la última fase se alcanza una velocidad de 80 m/seg en el

centro de la grieta, con unas revoluciones del rotor máximas de 22500 min-1

,

lo que significa una aceleración centrífuga de 8600 g. Estos valores

solamente se alcanzan en instalaciones Pelton con elevada caída. Al mismo

tiempo se experimenta en la instalación de ensayo con una concentración de

arena de 1 a 7 kg/m3. Según los resultados obtenidos en medidas continuas

de contenidos de arena en centrales hidroeléctricas (fig 25), estos valores son

tan sólo alcanzables en pocos días del año. Por ello los valores de abrasión

que se miden en las hidroeléctricas durante un año pueden obtenerse en la

instalación de ensayo entre 10 y 20 horas: Un análisis de dimensionamiento

ha demostrado que los parámetros característicos del material de pared, las

características de material y composición de la arena, la velocidad de

corriente, el radio de curvatura de la pared o bien la aceleración centrífuga

así como la concentración arenosa en proximidad de pared, son decisivos

Fig. 25 Esquema de circulación

en la instalación de ensayos

de SAPHYR

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CENTRALES ELÉCTRICAS

384

para el proceso de abrasión.

EFECTOS DE ARENAS DIFERENTES EN EL MATERIAL BÁSICO

Materiales básicos

En la instalación de ensayo SAPHYR era posible controlar y variar tanto los

parámetros de corriente como las propiedades de la arena de manera

reproducible. En la primera serie de ensayos se varió la velocidad de la

corriente y la concentración de arena mediante el material GX5 CrNi134 y

arena natural, obtenida de un desarenador del embalse regulador Stafel

(Grade Dixence) la figura 27 muestra, que la abrasión de material es casi

proporcional a la concentración de arena y que aumenta con la tercera

potencia, la velocidad (fig. 28) . Otra serie de ensayos trataba de la variación

de la calidad de arena, en la que se utilizaron arenas puramente cuarzosas

con mayor proporción de peso actúan de manera más agresiva en fracciones

rudas.

Los datos obtenidos sirven para la comprobación de un modelo que,

partiendo de un análisis hidromecánico del comportamiento de las

partículas, cuantifica el proceso de abrasión. La figura 29 muestra una

comparación de cifras de abrasión para GX5 CrNi134, calculadas y medidas

en la instalación de ensayo. Con ayuda de mediciones realizadas en

máquinas usadas se comprobará y se ampliará este modelo. Con ello, en el

futuro será posible calificar el peligro de erosión de las máquinas aún en fase

de proyecto y tomar las medidas correspondientes.

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ANEXOS

385

CAPAS PROTECTORAS RESISTENTES A LA EROSIÓN

De manera muy diferente debe juzgarse el comportamiento de la erosión en

capas protectoras resistentes al desgaste erosivo. Aquí, los puntos de partida

comunes para predecir el comportamiento de la abrasión ya no tienen la

misma validez que tenían en otros materiales básicos. En este caso hay que

tener en cuenta las características específicas del recubrimiento y su

aplicación. Tanto en la instalación de ensayo como en un rodete Pelton de la

hidroeléctrica Zermatt (Suiza) se realizaron unos ensayos llamados arco iris,

que abarcan de 16 a 18 materiales básicos distintos, y también se

comprobaron diversos recubrimientos con diferentes técnicas de aplicación,

para obtener aclaración sobre el comportamiento de capas del metal duro y

de la cerámica de protección térmica.

En la instalación de ensayo se examinaron los siguientes tipos de

recubrimiento bajo las mismas condiciones que el material básico GX5

CrNi134:

Capas de Cerámica Capas de metal duro

5XH 40 5XH 54

5XH 47 5XH 53

5XH 48 5XH 60

En esfuerzos bajos y medianos (primera y segunda fase de SAPHYR) ambos

tipos de recubrimiento mostraban una resistencia a la erosión similar. El

arranque de material se redujo por el factor 50 frente al material básico.

Durante el elevado esfuerzo de la tercera fase, las capas de cerámica eran

claramente inferiores a las capas de metal duro. La mejor capa de material

duro dio como resultado por el factor 90 frente a GX5 CrNi134. Los ensayos

en la hidroeléctrica Zermatt dieron un resultado similar. Aquí también se

obtuvieron los mejores resultados con capas de metal duro. No obstante, se

ha demostrado que la aplicación esmerada de cada capa es esencial para la

longevidad de las capas protectoras. Estas tan sólo alcanzarán una óptima

función protectora si la base ha sido cuidadosamente limpiada y preparada, y

si en la aplicación se respetan los parámetros de proyección óptimos. Si por

errores de proyección partes de las capas sufrieran daños prematuros se

podrían producir enormes daños, puesto que por el rápido avance de la

erosión de las capas protectoras del material básico quedarían socavadas y se

soltarían. (fig. 30)

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CENTRALES ELÉCTRICAS

386

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ANEXOS

387

Fig 30 Piezas dañadas por abrasión y cavitación de la planta de La

Chojlla

SELECCIÓN DE MATERIALES BÁSICOS Y DE CAPAS

PROTECTORAS DE SUPERFICIE PARA INSTALACIONES

NUEVAS Y PIEZAS DE RECAMBIO.

La experiencia ha demostrado que para la producción de componentes de

máquinas poco afectadas por la abrasión, como espirales, cajas, conductos

de espirales, y tubos aspirantes pueden emplearse aceros de construcción

corrientes o materiales de fundición de resistencia adecuada, para recubrir su

superficie mojada por una capa viscoelástica. Hay varios plásticos en base a

epoxy y de poliuretano que han dado buen resultado. Estas son aplicables y

recomendables tanto en piezas nuevas como en piezas usadas. Para rodetes,

álabes directrices, anillos protectores de la corona directriz y laberintos, la

martensita blanda inoxidable GX5CrNi134, o martensitas equivalentes con

proporciones de cromo del 13 al 17% y de níquel del 4 al 6% son los más

adecuados. Esta categoría de aceros reúne, aparte de la alta tenacidad,

elevado límite de elasticidad y dureza, con una considerable resistencia a la

abrasión y cavitación, buenas propiedades de soldadura y mecanización. En

proporciones extremas de sustancias sólidas, la duración puede aumentar

enormemente con un recubrimiento. Sin embargo, se llevan empleando con

éxito desde hace años, las capas finas de cerámica, que no resisten carga

pulsátiles y por ello tampoco a los ataques de la cavitación. Para optimizar

de una forma económica los recubrimientos de las piezas inoxidables nuevas

con cerámica se recomienda someterlas al funcionamiento con superficies no

recubiertas durante un determinado tiempo, para reunir ciertas experiencias

como lugar y desarrollo temporal de los daños de abrasión, para poder

efectuar a continuación los recubrimientos adaptados al mecanismo dañino.

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CENTRALES ELÉCTRICAS

388

ANEXO III

RELACIÓN DE PRECIOS DEL GAS NATURAL PARA LA

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y PARA LA

EXPORTACIÓN

VOLÚMENES COMERCIALIZADOS AL MERCADO INTERNO

POR SECTOR A 60ºF (MMm3/día)

* Incluye: industrias conectadas directamente a la red troncal de transporte,

consumidores propios del Sector hidrocarburos como refinerías, estaciones

de bombeo y Planta de Compresión Río Grande, además de las Estaciones

de Servicio de gas natural que tienen contrato directo con YPFB.

Fuente: Gerencia Nacional de Comercialización – Dirección Nacional de

Gas Natural

Nota: Valores actualizados en febrero de 2013

En la estructura del mercado interno, el Sector Eléctrico es el mayor

consumidor de gas natural, registrando en el año 2012, un volumen de

consumo promedio de 4,18 MMm3/día que representó el 47,98% del

consumo total de gas natural. Le siguen los Sectores Residencial, Comercial,

Industrial y de Transporte Vehicular que en conjunto tuvieron un consumo

promedio 3,98 MMm3/día lo que representó el 45,59% del consumo total.

Finalmente, el Sector Consumidores Directos y Otros tuvo un consumo

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ANEXOS

389

promedio de 0,56 MMm3/día, lo que representó el 6,43% del consumo total.

En promedio el Consumo del mercado interno durante la gestión 2012,

alcanzó a 8,72 MMm3/día, lo que significa un incremento del 3,37%

respecto a la gestión anterior.

PRECIOS FINALES DE GAS NATURAL DEL SECTOR

ELÉCTRICO

A continuación se muestran los volúmenes y precios de exportación de la

gestión 2012

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CENTRALES ELÉCTRICAS

390

Los volúmenes exportados al mercado del Brasil a través del contrato YPFB

– Petrobras (GSA) mostraron importantes incrementos y caídas a lo largo de

la gestión 2012, registrándose un incremento de 58% entre el promedio de

los volúmenes del mes de enero y los del mes de diciembre. Los volúmenes

más bajos se registraron los días de 27, 28 y 30 de enero en un promedio de

17,1 MMm3. Asimismo, el volumen más alto fue de 31,8 MMm

3 y se

registró el día 25 de febrero.

Los volúmenes exportados al Mercado de Argentina a través del contrato

YPFB – ENARSA mostraron un incremento de 40% entre el mes de enero y

el mes de diciembre. Los volúmenes más bajos alcanzaron un valor de 11,7

MMm3 y 3,7 MMm

3 registrados los días 22 y 23 de octubre debido a que

conflictos internos en Argentina no permitieron la entrega de mayores

volúmenes. Asimismo, el volumen más alto se registró el 13 de agosto con

16,45 MMm3.

PRECIO PONDERADO DE VENTA DE GAS NATURAL AL

BRASIL CONTRATO YPFB - PETROBRAS ($US/MMBtu)

PRECIO DE VENTA DE GAS NATURAL A LA ARGENTINA

CONTRATO YPFB – ENARSA ($US/MMBtu)

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ANEXOS

391

Los precios de gas natural en el mercado interno fluctúan entre un nivel

máximo de 1,9768 $us/Mpie3 y un nivel mínimo de 0,57 $us/Mpie

3, en

función al sector de destino y la normativa empleada en cada caso, siendo el

Sector Eléctrico en el que se aplican los mayores precios y el Sector

Residencial, Comercial, Industrial y Transporte Vehicular en el que se

aplican los menores precios.

El precio de gas natural para el Sector Eléctrico en el punto de entrega, al

ingreso de la planta termoeléctrica, es igual a 1,30 $us/Mpie3. Para

generadoras pertenecientes al Sistema Interconectado Nacional y para

generadoras pertenecientes al Sistema Aislado el precio varía entre 1,02

$us/Mpie3 y 1,9768 $us/Mpie

3.

El precio de gas natural que es entregado a las empresas distribuidoras en

Puerta de Ciudad (city gate), cuyo destino son los Sectores Residencial,

Comercial, Industrial y Transporte Vehicular, es de 0,98 $us/Mpie3. Sólo en

el caso de la Empresa Tarijeña del Gas S.A.M. – Carapari, es de 0,57

$us/Mpie3.

Asimismo, los precios de gas natural para consumo propio del sector

hidrocarburos como combustible en transporte varían entre 1,0108

$us/Mpie3 y 1,4208 $us/Mpie

3 y para el uso como combustible en refinación

es de 1,31 $us/Mpie3.

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CENTRALES ELÉCTRICAS

392

Es de especial interés que el lector haga una comparación de los precios de

exportación con relación a los precios que tiene el gas natural para el sector

eléctrico, para ello es necesario conocer las equivalencias de la unidad BTU

a pies3

BTUs (Unidades Térmicas Británicas)

Las BTUs o Unidades Térmicas Británicas miden la energía en el gas

natural. Un BTU equivale al calor requerido para elevar la temperatura de

una libra (0,45 litros) de agua a 1 grado Fahrenheit (-17,22 grados Celsius).

La cantidad de calor en un fósforo de madera encendido es

aproximadamente igual a un BTU. Un pie cúbico (0,02 metros cúbicos) de

gas natural tiene 1,015 BTUs. Esto se compara con un galón (3,78 litros)

de propano que contiene 91700 BTUs y 1 kW (1,34 HP) de electricidad que

contiene 3413 BTUs.

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ANEXOS

393

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