DISEÑO DE UNA MINI CENTRAL HIDRAÚLICADATOS

Población a beneficiar: 4000 Hab= 15 años= 6.50%= 1.50%

Trabajo a Plena Carga: 90%Ancho del Río : 3.00 m

Qmax = ###Qmin = ###

Centrales de Alta Presión

Se llamará de alta presión cuando el salto es grande y generalmente seubican en zonas de alta montaña y trabajan en pequeñas centrales

Demanda FuturaTambién existen datos comprobados que la demanda futura se calcula para una periodo de 5 – 10 años y la taza de crecimiento de la demanda de la energía eléctrica se puede estimar de 4 – 10% anual.Se puede emplear la siguiente formula:

Datos:Demanda actual Da= Razón de crecimiento Promedio anual de la r= demanda de energía. t=

Df= 322 KW

HISTORIAL DE CAUDALES

MESAÑO

1 2 31 2.48 2.63 3.412 2.05 2.20 2.143 1.10 2.04 2.254 1.92 1.98 2.065 1.04 1.10 1.276 0.90 1.04 1.117 0.74 0.68 0.818 0.52 0.51 0.519 0.50 0.62 0.59

10 0.68 0.59 0.6211 0.82 0.85 0.9412 1.30 1.34 1.40

nº de Datos =Caudal max =Caudal min =

En base a esta información se construirá la curva de frecuencias y caudales, para ello se organizó la información del historial de caudales de mayor a menor en rangos de diferencia de caudales de:

d= 0.08

Q>20 m3

s,H≥200m

D f=Da (1+ r̄ )t

D f=Da (1+ r̄ )t

τr̄Srio

Curva de Frecuencias y Curva de CaudalesCurva

Variación de CaudalesCurva de Frecuencias Curva de Caudales

Número % Número 1 3.5 - 3.58 0 0 02 3.4 - 3.48 1 2 13 3.3 - 3.38 0 0 14 3.2 - 3.28 0 0 15 3.1 - 3.18 0 0 16 3 - 3.08 0 0 17 2.9 - 2.98 0 0 18 2.8 - 2.88 0 0 19 2.7 - 2.78 0 0 1

10 2.6 - 2.68 1 2 211 2.5 - 2.58 0 0 212 2.4 - 2.48 2 3 413 2.3 - 2.38 2 3 614 2.2 - 2.28 3 5 915 2.1 - 2.18 3 5 1216 2 - 2.08 4 7 1617 1.9 - 1.98 2 3 1818 1.8 - 1.88 1 2 1919 1.7 - 1.78 0 0 1920 1.6 - 1.68 1 2 2021 1.5 - 1.58 1 2 2122 1.4 - 1.48 1 2 2223 1.3 - 1.38 3 5 2524 1.2 - 1.28 1 2 2625 1.1 - 1.18 4 7 3026 1 - 1.08 2 3 3227 0.9 - 0.98 4 7 3628 0.8 - 0.88 7 12 4329 0.7 - 0.78 1 2 4430 0.6 - 0.68 7 12 5131 0.5 - 0.58 9 15 6032 0.4 - 0.48 0 0 6033 0.3 - 0.38 0 0 6034 0.2 - 0.28 0 0 6035 0.1 - 0.18 0 0 6036 0 - 0.08 0 0 60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

De ambos gráficos podemos observar que el rango entre 0.50 y 0.58 m3/seg es el quetiene mayor frecuencia y se mantiene durante un 90% del año,

Q = 0.56 m3/seg

Considerando un caudal ecologico para la flora y fauna del lugar, captaremos el siguiente caudalQ = 0.25 m3/seg

De acuerdo con la expresión de potencia de un aprovechamiento hidroenegético:

P= 322 KW

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CURVA DE FRECUENCIAS

CURVA DE FRECUENCIAS

⇒

P=9 .81xQxHx η

= 0.5

H = 263 m

η

DISEÑO DE UNA MINI CENTRAL HIDRAÚLICA

180 KW6.00%10 años

HISTORIAL DE CAUDALESAÑO

4 52.30 2.202.12 2.302.41 2.052.10 1.681.30 1.140.86 0.850.91 0.620.95 0.580.58 0.610.58 0.650.86 0.881.50 1.80

603.410.50

En base a esta información se construirá la curva de frecuencias y caudales, para ello se organizó la información del historial de caudales de mayor a menor en rangos

Curva de Frecuencias y Curva de CaudalesCurva

Curva de Caudales

%0 02 12 02 02 02 02 02 02 03 23 07 8

10 1215 2720 3627 6430 3632 1932 033 2035 2137 2242 7543 2650 12053 6460 14472 30173 4485 357

100 540100 0100 0100 0100 0100 0

Qm = 19.39

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

Considerando un caudal ecologico para la flora y fauna del lugar, captaremos el siguiente caudal

De acuerdo con la expresión de potencia de un aprovechamiento hidroenegético:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

CURVA DE DURACION DE CAUDALES

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CURVA DE FRECUENCIAS

CURVA DE FRECUENCIAS

DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA BOCATOMA DE FONDO

NOTA:Se opto por este tipo de bocatoma debido al pequeño ancho disponible del rio, ya que este diseño es utilizada enpequeños rios, en donde la profundidad del cauce no es muy grande.

A ) Datos de aforo de caudales del río: Donde:

4500.00 lts/Seg. Caudal máximo del río.1800.00 lts/Seg. Caudal promedio del Río300.00 lts/Seg. Caudal Mínimo del Río

250.000 Lt/s Caudal para el diseño de bocatomaB = 3.00 m. B : ancho del rio.

1. Diseño de la presa:La presa se diseñará como un vertedero rectangular con doble contracción, cuya ecuación es:

L = 2.50 m.

La lámina de agua en las condiciones de diseño es de:

H = 0.14 m.

La correción por las dos contracciones laterales es:

L' = L - 0.2H = 2.47 m.

La velocidad del agua que pasa sobre la rejilla será:

0.71 m/s

0.3 < V < 3 m/s

0.3 m/s < 0.71 < 3.0 m/s OK

2. Diseño de la rejilla y el canal de aducción:En base a las dimensiones del chorro originado en el fondo del canal:

Alcance fijo superior:

0.48 m.

Alcance fijo inferior:

Qmáx = Qmáx :Qmín = Qmín :Qmín = Qmín :

Qdiseño = Qdiseño :

Q = 1.84 L*H3/2

H=(Q/1.84L)2/3

Vr= Q/L'H =

Xs = 0.36Vr2/3 + 0.60H4/7

Xs =

Xi = 0.18Vr4/7 + 0.74H3/4

Ancho (L)

cp

cp

0.32 m.

Ancho Canal de aducción 0.58 m (ancho mínimo será de 40 cm)

Tomamos B = 0.70 m OK

3. La longitud de la rejilla y el número de orificios:(Se recomienda que los barrotes puedan ser de hierro, con separaciones entre barrotes de 5 a 10 cm y diametros de 1/2", 3/4" ó 1")

Se adopta barrotes de 1/2" (0.0127m) y separación entre ellos de 5 centimetros en la dirección del flujo.a=5.00cm (Separación)

Se supone la velocidad entre barrotes 0.20 m/s (siendo la máxima de 0.20 m/s).Area neta de la rejilla:

K = 0.90 para flujo paralelo a la sección.

1.389 m2 =(a/a+b)BLr

DespejandoLr = 2.49 m. (ancho mínimo será de 70 cm)

Tomamos Lr = 2.50 m OK

B = 0.70 m.Lr = 2.50 m.

Se adopta longitud de rejilla Lr = 2.50 m.An = 1.396

El número de orificios es:N = An/a x B = 39.87 orificios.

Xi =

B = Xs + 0.10

An = Q/K*Vb =

Las dimensiones mínimas de las rejillas son (Bmin = 0.4m, Lrmin = 0.70m.):

m2

Se adopta 40 orificios separados 5 cm. entre sí.

Con la cual se tienen las siguientes condiciones finales:

An = 1.40Vb = 0.198 m/s < 0.20 m/s OKLr = 2.51 m.

4. Niveles de agua en el canal de aducción:- Aguas abajo:Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga libre, debe cumplirse que:

he = hc = 0.24 m.

Consideramos un borde libre de : 15 cm.

- Aguas arriba:Espesor del muro = 0.20 m.

Lc = Lr + espesor del muro = 2.71 m.3% pudiendo ser de 1% a 4%.

i = 0.030

ho =

ho = 0.34 m.

Ho = ho + BL = 0.49 m.

He = he + (ho - he) + i Lc + BL

He = 0.57 m.

La velocidad del agua al final del canal será:Ve = Q/B x he = 1.52 m/s.

0.3 m/s < 1.52 m/s. < 3.0 m/s. OK

m2

(Q2/g B2)1/3

Se adopta la pendiente del fondo del canal i =

(2he2 + (he – i Lr/3)2)1/2 – 2iLr/3

5. Diseño de la cámara de Recolección:

0.80 m.

0.48 m.

Bcámara=Xs+0.30 = 1.10 m

Bcámara = 1.10 m.

Por facilidad de acceso y mantenimiento, se dopta una cámara rectangular de 1.50 x 1.50 m de lado.

El borde libre de la cámara será de: 0.15 m.El fondo será a H: 0.75 m.

6. Cálculo de la Altura de los Muros de Contención:Tomando el caudal máximo de la fuente, reemplazando valores 4500.00 lts/Seg.

H = 0.99 m.

Dejando un borde libre, tenemos:H = 1.20 m.

7. Calculo de cota:Fondo del Río en la captación: 3,030.00 m.s.n.m.

Lámina sobre la presa:Diseño: 3,030.14 m.s.n.m.

Máxima: 3,030.99 m.s.n.m.Promedio: 3,030.53 m.s.n.m.

rona de los muros de contención: 3,031.20 m.s.n.m.

Canal de aducción:Fondo aguas arriba: 3,029.65 m.s.n.m.Fondo aguas abajo: 3,029.57 m.s.n.m.

Lámina aguas arriba: 3,029.99 m.s.n.m.Lámina aguas abajo: 3,029.80 m.s.n.m.

Camará de recolección:Fondo: 3,028.82 m.s.n.m.

8. Calculo del Canal de salida hacia el desarenador:Caudal de diseño= ### Para el sistema.

n = 0.015 Canal de concreto sin revestimientoS = 1.00% pendiente del canalZ = 0 Talud

La seccion del canal será calculada mediante el programa de Hcanales, de acuerdo a los datos del canalproyectado, estos para una seccion de maxima eficiencia.

Xs = 0.36Ve2/3 + 0.60he4/7

Xs =

Xi = 0.18Ve4/7 + 0.74he3/4

Xi =

H=(Q/1.84L)2/3

de estos calculos utilizaremos un canal de la siguiente seccion:h = 0.27 mb = 0.55 m

BL = 0.18 m Borde libre de canalse debe notar que la velocidad obtenida es menor que la maxima y admisible por erosion del canal y mayor al minimo establecido por sedimentacion , estos concernientes a un canal de concreto.

por lo tanto la sección del canal será de 0.55 x 0.45 m

9. Calculo de la compuerta para la salida al canal:

Usando la ecuación de orificio de carga constante:

Para el diseño de la compuerta adicionaremos 10% mas de caudal por cuestiones de seguridad

###

h = 0.25Q = caudal (m3/s)Cd = Coeficiente de descarga.

Cd = 0.6 Orificio de pared delgadaCd = 0.82 Orificio de pared abocinadaCd = 0.97 Orificio con salida de tubo

Ao = aréa del orificio (m2)h = carga del orificio, al centro (m)

Calculando y despejando de la ecuación de orificio tenemos:

Ao = 0.207 m2

La sección sera:Asumiendo B = 0.6 m

Qdiseño =

Q=Cd A o√2gh

H = 0.34 m

Tomaremos:B = 0.60mH = 0.35m

10. Calculo de aliviadeo tramo bocatoma - desarenadorEste aliviadero se colocará con la finalidad de evacuar el 10% de exceso de agua proveniente de la bocatoma hacia el canal.Datos del canal

b = 0.55m Ancho de soleraHt = 0.45m Tirante de agua + borde librev = 1.00m/s velocidad en el canal

0.25 Lt/seg

EN MAXIMAS AVENIDA

En tiempos de avenidas se incrementa en 10% el caudal.

CAUDAL Q2 = 0.275 m3/s

Calculo de la altura de la cresta del Aliviadero (hµ):

A =Q1/V = 0.25 m2

0.455 m

Calculo de la longitud del aliviadero:

Tirante de Agua en el Canal: D2 = Q2/(VxD1) = 0.500

hv = D2 - D1 = 0.05 m m

El tirante del agua se incrementa en: 5 cm

a evacuar) = Q2 - Q1= 0.03 Lt/seg m3/s

De:

Cd = 1.6 (Coeficiente de descarga)

Lv = 1.40 m

Asumimos : Lv = 3.00 m

Qdiseño =

hµ = d1 =

DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA BOCATOMA DE FONDO

Se opto por este tipo de bocatoma debido al pequeño ancho disponible del rio, ya que este diseño es utilizada en

La presa se diseñará como un vertedero rectangular con doble contracción, cuya ecuación es:

m (ancho mínimo será de 40 cm)

(Se recomienda que los barrotes puedan ser de hierro, con separaciones entre barrotes de 5 a 10 cm y diametros

Se adopta barrotes de 1/2" (0.0127m) y separación entre ellos de 5 centimetros en la dirección del flujo.

(siendo la máxima de 0.20 m/s).

Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga libre, debe cumplirse que:

Por facilidad de acceso y mantenimiento, se dopta una cámara rectangular de 1.50 x 1.50 m de lado.

La seccion del canal será calculada mediante el programa de Hcanales, de acuerdo a los datos del canal

Borde libre de canalse debe notar que la velocidad obtenida es menor que la maxima y admisible por erosion del canal y mayor

Para el diseño de la compuerta adicionaremos 10% mas de caudal por cuestiones de seguridad

Este aliviadero se colocará con la finalidad de evacuar el 10% de exceso de agua proveniente de la bocatoma

DISEÑO HIDRÁULICO DEL ALIVIADERO

DATOS PARA EL DISEÑO:

SECCION DEL CANAL: tramo desarenador - camara de carga

B = 0.80 m Solera de canalh = 0.40 m Tirante de agua + borde libre

CAUDAL QUE CIRCULA EN EL CANAL EN EPOCA DE ESTIAJE:

CAUDAL Q1 = 0.25 m3/s

VELOCIDAD V = 2.00 m/s

CAUDAL EN MAXIMAS AVENIDAS:

En tiempos de avenidas se incrementa en 10% el caudal.

CAUDAL Q2 = 0.275 m3/s

Calculo de la altura de la cresta del Aliviadero (hµ):

A =Q1/V = 0.125 m2

0.156 m

Calculo de la longitud del aliviadero:

Tirante de Agua en el Canal: D2 = Q2/(VxD1) = 0.172

hv = D2 - D1 = 0.02 m m

El tirante del agua se incrementa en: 2 cm

(a evacuar) = Q2 - Q1= 0.025 m3/s

De:

Cd = 1.6 (Coeficiente de descarga)

Lv = 5.52 m

Asumimos : Lv = 3.00 m

Este aliviadero secolocará cada 100m como maximo en todo el tramo del canal, esto con la finalidad de eliminar un aumento de caudal por causa de lluvias, etc.

hµ = d1 =

Este aliviadero secolocará cada 100m como maximo en todo el tramo del canal, esto con la finalidad de eliminar

DISEÑO HIDRÁULICO DEL DESARENADOR

DATOS DE DISEÑO:

Qd 0.25 m³/seg Caudal de diseño dd 0.70 m Profundidad de decantación (asumido)Ø 0.30 mm Diámetro de la partículas a sedimentarW1 0.55 m Base del canal de entradaW2 0.50 m Base del canal de salidaVh 0.20 m/seg Velocidad horizontal (recomendado)h < 10 m Caida (recomendado)

Vd 0.03 m/seg Velocidad de sedimentación ƒ 2 Factor de seguridad (2-3)ɣs 2650 Kg/m³ Densidad de la arenaS 0.05 Kg/m³ Cantidad de sedimentos transportados

A.- Ancho del desarenador y la cámara de carga W

W = QVh . dd

Reemplazando datos:W = 1.79 m

Tomamos:W = 1.80 m

B.- Longitud de la zona de sedimentación Ld

Ld = Vh x dd x ƒVd

Reemplazando datos:Ld = 9.33 m

Tomamos:Ld = 10.00 m

Para facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente de: 5%

El desnivel en el fondo sera = 0.50

C.- Longitud de la zona de transición de entrada Le'

Consideran un ángulo de transición de entrada 20

Le' = W2-W1

Reemplazando datos:Le' = 1.72 m

Tomamos:Le' = 1.80 m

D.- Longitud de la zona de transición de salida L'

Consideran un ángulo de transición de salida de =30

Ls' = W-W2

Reemplazando datos:Ls' = 1.13 m

Tomamos:Ls' = 1.20 m

E.- Zona de recolección del desarenador y cámara de carga

Asumimos que una frecuencia de vaciado razonable esuna semanaEntonces se absorverá una determinada cantidadde sedimento igual a:

Can (sed) = QxTxS (Kg)

Q 0.25 m3/s CauldalT 7 dias Tiempo en diasS 0.05 Kg/m3 Cantidad de sedimentos

Reemplazando: Can (sed) = 7560 Kg

Suponiendo una densidad de acumulación D(acum) = 50%

capacida del tanque =Can (sed)ɣs *D(acum)

12° ≤ α ≤ 30α =

2*Tgα

12° ≤ α ≤ 30α =

2*Tgα

Capacidad del tanque = 5.71 m³

Luego:Profundidad del desarenador dr :

dr = capacidad del tanque colectorW x Ld

Reemplazando datos:dr = 0.32 m

Tomamos:dr = 0.35 m

F.- Diseño del aliviadero.

Suponiendo que en tiempos de máxima avenida, el caudal dediseño se incrementa en 10%

Q = 0.25 m³/segQ máx = 0.275 m³/seg

Ecuacion de Verterero

Q1 0.25 m3/s Caudal diseñoV1 0.20 m/s velocidad de diseñoW 1.80 m Ancho del desarenadorD1 0.69 m Altura (aliviadero)Q2 0.275 m3/s Caudal maximoV2 0.20 m/s velocidad de diseñoD2 0.76 m tirante entrada (aliviadero)

▲h = hv 0.07 m tirante (aliviadero)Cw 1.6 Coeficiente de descarga

Q ver 0.025 m3/s Caudal a evacuarLv 0.85 m Longitud del aliviadero

por lo tanto tomaremos un aliviadero de 1.00 m de longitud

Q=Cd∗Lv∗hv3 /2

G.- Calculo de la compuerta de limpieza del desarenadorUsando la ecuación de orificio de carga constante:

h = 1.05Q = caudal (m3/s)Cd = Coeficiente de descarga.

Cd = 0.6 Orificio de pared delgadaCd = 0.82 Orificio de pared abocinadaCd = 0.97 Orificio con salida de tubo

Ao = aréa del orificio (m2)h = carga del orificio, al centro (m)

Calculando y despejando de la ecuación de orificio tenemos:

Ao = 0.091800 m2

La sección sera:Asumiendo B = 0.60 m

H = 0.15 m

Tomaremos:B = 0.60mH = 0.40m

Q=Cd A o√2gh

DISEÑO DE CARMARA DE CARGA

DATOS DE DISEÑO:

Qd 0.25 m³/seg Caudal de diseño dd 0.70 m Profundidad de decantación (asumido)Ø 0.30 mm Diámetro de la partículas a sedimentarW1 0.50 m Base del canal de entradaVh 0.20 m/seg Velocidad horizontal (recomendado)h < 10 m Caida (recomendado)

Vd 0.03 m/seg Velocidad de sedimentación ƒ 2 Factor de seguridad (2-3)ɣs 2650 Kg/m³ Densidad de la arenaS 0.05 Kg/m³ Cantidad de sedimentos transportados

A.- Ancho del desarenador y la cámara de carga W

W = QVh . dd

Reemplazando datos:W = 1.79 m

Tomamos:W = 1.80 m

B.- Longitud de la zona de sedimentación Ld

Ld = Vh x dd x ƒVd

Reemplazando datos:Ld = 9.33 m

Tomamos:Ld = 10.00 m

Para facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente de: 5%

El desnivel en el fondo sera = 0.50

C.- Longitud de la zona de transición de entrada Le'

Consideran un ángulo de transición de entrada 20

Le' = W2-W1

Reemplazando datos:Le' = 1.79 m

Tomamos:Le' = 1.80 m

D.- Zona de recolección del desarenador y cámara de carga

Asumimos que una frecuencia de vaciado razonable esuna semanaEntonces se absorverá una determinada cantidadde sedimento igual a:

Can (sed) = QxTxS (Kg)

Q 0.25 m3/s CauldalT 7 dias Tiempo en diasS 0.05 Kg/m3 Cantidad de sedimentos

Reemplazando: Can (sed) = 7560 Kg

Suponiendo una densidad de acumulación D(acum) = 50%

capacida del tanque =Can (sed)ɣs *D(acum)

12° ≤ α ≤ 30α =

2*Tgα

Capacidad del tanque = 5.71 m³

Luego:Profundidad del desarenador dr :

dr = capacidad del tanque colectorW x Ld

Reemplazando datos:dr = 0.32 m

Tomamos:dr = 0.35 m

F.- Diseño del aliviadero.

Suponiendo que en tiempos de máxima avenida, el caudal dediseño se incrementa en 10%

Q = 0.25 m³/segQ máx = 0.275 m³/seg

Ecuacion de Verterero

Q1 0.25 m3/s Caudal diseñoV1 0.20 m/s velocidad de diseñoW 1.80 m Ancho del desarenadorD1 0.69 m Altura (aliviadero)Q2 0.275 m3/s Caudal maximoV2 0.20 m/s velocidad de diseñoD2 0.76 m tirante entrada (aliviadero)

▲h = hv 0.07 m tirante (aliviadero)Cw 1.6 Coeficiente de descarga

Q ver 0.025 m3/s Caudal a evacuarLv 0.85 m Longitud del aliviadero

por lo tanto tomaremos un aliviadero de 1.00 m de longitud

Q=Cd∗Lv∗hv3 /2

G.- Vertedero de salida de la cámara de carga:

Carga de agua sobre el vertedero de salida:

Q = 2/3 x µ W (2gh^3)^1/2

Reemplazando datos:

Q 0.25 m3/s Caudalu 0.5 coeficiente de descargaW 1.80 m baseg 9.81 m2/s gravedadh 0.21 m altura

Velocidad de paso por el vertedero:

V = m x h^1/2m = 2.00

V = 0.91 m/seg

Esta velocidad es menor que 1.00 m/seg por lo que cumplecon las recomendaciones.

G.- Calculo de la compuerta de limpieza del desarenadorUsando la ecuación de orificio de carga constante:

h = 1.05Q = caudal (m3/s)Cd = Coeficiente de descarga.

Cd = 0.6 Orificio de pared delgadaCd = 0.82 Orificio de pared abocinadaCd = 0.97 Orificio con salida de tubo

Ao = aréa del orificio (m2)h = carga del orificio, al centro (m)

Calculando y despejando de la ecuación de orificio tenemos:

Ao = 0.091800 m2

La sección sera:Asumiendo B = 0.60 m

H = 0.15 m

Tomaremos:B = 0.60mH = 0.40m

H.- Calculo de la distancia entre rejillas

1.8 ≤ m ≤ 2.0

Q=Cd A o√2gh