Guia Para Central Hidroelectrica

5/12/2018 Guia Para Central Hidroelectrica

1/174

ESHA 2006

European Small Hydropower Association - ESHA - [email protected]. +32-2-546.19.45 - Fax +32-2-546.19.47

ESHA is founding member of EREC, the European Renewable Energy Council

Gua para el desarrollo de una pequeacentral hidroelctrica

Esta gua es una versin actualizada del "Manual de Pequea Hidrulica", publicado por ESHA en 1998. Esta actualizac in, realizada

originalmente en lengua inglesa, sobre la versin en la misma lengua, ha sido realizada en el marco del proyecto "Thematic Network on Small

Hydropower" (TNSHP), financiado por el 5o programa de investigacin y desarrollo (FP5). La traduccin y publicacin de esta versin en

espaol ha sido realizada en el marco del proyecto SHERPA financiado por el Programa Energa Inteligente para Europa (IEE).


2/174

Gua para el desarrollo de una pequea central hidroelctrica ESHA - 2006

iii

RECONOCIMIENTOS

Esta gua es una versin actualizada del "Manual de Pequea Hidrulica", publicadopor ESHA - European Small Hydropower Association - en 1998, en el marco del

programa ALTENER, de la Direccin General de Energa (DG XVII) de la ComisinEuropea.

Aunque basada en el original, esta gua ha sido actualizada para adaptarla a losimportantes cambios acaecidos en el sector, especialmente en los mbitos del medioambiente y de los procesos administrativos de autorizacin. Esta actualizacin est yadisponible en los idiomas, Ingls, Francs, Alemn y Sueco, lo que aade valor a lasversiones Espaola e Italiana de la publicacin original.

Esta actualizacin, realizada originalmente en lengua inglesa, sobre la versin en lamisma lengua, ha sido realizada en el marco del proyecto "Thematic Network onSmall Hydropower" (TNSHP), financiado por el 5o programa de investigacin ydesarrollo (FP5). La actualizacin ha sido llevada a cabo por los "Miembros delComit de Revisin", bajo las directrices y la coordinacin de ESHA. Los citadosmiembros son socios del proyecto TNSHP, Francis Armand (ADEME), AntnSchleiss (EPFL-LCH), Erik Bollaert (EPFL-LCH), Pedro Manso (EPFL-LCH),Jochen Bard (ISET), Jamie O'Nians (IT Power), Vincent Denis (MHyLab), BernhardPelikan (VFK), Jean-Pierre Corbet (SCPTH), Christer Sderberg (SERO), JonasRundqvist (SERO) and Luigi Papetti (Studio Frosio).

La traduccin y publicacin de esta versin en espaol ha sido realizada en el marco delproyecto SHERPA financiado por el Programa Energa Inteligente para Europa (IEE).

Agradecemos especialmente a Celso Penche, autor del "Layman's Guide" original, elhaber revisado el contenido de estas actualizaciones, garantizando as su coherencia y

fidelidad.Aunque el traductor - Celso Penche - ha seguido fielmente la versin inglesa, enalgunos puntos muy particulares se ha permitido llevar a cabo ciertas modificacionesparea adaptarla a las circunstancias espaolas.


3/174


i

PRESENTACION

Proyectar, construir y poner en marcha una pequea central hidroelctrica no es tareafcil. Para hacerlo hay que tomar en consideracin mltiples aspectos del problema,

desde la eleccin del sitio adecuado hasta la explotacin del aprovechamiento. Todo

ello exige un amplio espectro de conocimientos sobre ingeniera, financiacin, y

relaciones con la Administracin. Esta gua rene todos esos conocimientos de forma

que el inversor potencial pueda seguir paso a paso el camino que le conducir al exit9o

final.

La gua est dividida en nueve captulos. Una vez conocidos, por el captulo1, los

conceptos bsicos tales como la definicin de lo que es una pequea central

hidroelctrica, los tipos de esquemas existentes y la forma de explotar el recurso

hidrulico - y la forma en que est organizada la gua, los captulos siguientes del 2

al 9 - describen los pasos que hay que dar para evaluar el aprovechamiento y decidir sidebe o no proceder a realizar un estudio de viabilidad. Los aspectos bsicos a considerar

son:

- Topografa y geomorfologa del sitio.

- Evaluacin del recurso hdrico y su potencial de generar de energa.

- Eleccin del sitio y del esquema bsico del aprovechamiento.

- Seleccin de las turbinas y generadores, as como de sus equipos de control.

- Evaluacin del impacto ambiental y estudio de las medidas para su mitigacin.

- Evaluacin econmica del proyecto y su potencial de financiacin.

- Marco institucional y procedimientos administrativos para obtener las

autorizaciones.

La lectura de esta gua permitir, al desarrollador potencial, entender y aprender que es

lo que tiene que hacer, y que pasos tiene que dar para llegar a explotar un

aprovechamiento de pequea hidrulica.

Bernhard Pelikan

Presidente de ESHA


4/174


v

CAPITULO 1. INTRODUCCION

1. Introduccin ................................................................................................................2

1.1. Un recurso renovable y autctono ...........................................................................2

1.2. Definicin de pequeos aprovechamientos .............................................................3

1.3. Tipos de aprovechamiento.......................................................................................3

1.3.1. Aprovechamientos de agua fluyente...............................................................4

1.3.2. Centrales de pie de presa ................................................................................6

1.3.3. Centrales integradas en redes de agua ............................................................7

1.4. Planificacin y evaluacin de un aprovechamiento .............................................10

CAPITULO 2.FUNDAMENTOS DE INGENIERA HIDRULICA

2 FUNDAMENTOS DE INGENIERA HIDRULICA...............................................15

2.1 Introduccin. ......................................................................................................15

2.2Circulacin de agua en tuberas .........................................................................15

2.2.1 Prdida de carga por friccin ..............................................................18

2.2.2 Perdida de carga por turbulencia.........................................................24

2.2.3 Regmenes transitorios........................................................................29

2.3 Circulacin del agua en canales abiertos ...........................................................33

2.3.1 Clasificacin de los tipos de circulacin en canales abiertos..............34

2.3.2 Flujo uniforme en canales abiertos .....................................................35

2.3.3 Secciones eficientes en canales abiertos, ............................................36

2.3.4 Principios de energa en canales abiertos............................................37


5/174


vi

3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO

3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO .............................................................45

3.1 Introduccin.................................................................................................45

3.2 Registros de datos hidrolgicos....................................................................46

3.3 Medicin directa del caudal..........................................................................47

3.3.1 Medicin del rea y la velocidad. ...................................................47

3.3.2 Aforo por dilucin...........................................................................52

3.3.3. Mediante estructuras hidrulicas....................................................54

3.3.4 Medida del caudal por la pendiente de la lmina de agua. ............55

3.4 Rgimen de caudales ....................................................................................56

3.4.1 Hidrograma ....................................................................................56

3.4.2 Curva de caudales clasificados (CCC)............................................57

3.4.3 Curvas estndar de caudales clasificados .......................................58

3.4.4 Curvas de caudales clasificados en tramos no aforados .................59

3.5 Presin del agua o salto ................................................................................66

3.5.1 Medida del salto bruto ....................................................................66

3.5.2 Estimacin del salto neto ................................................................67

3.6 Caudal ecolgico o caudal reservado ...........................................................69

3.7 Estimacin de la energa generada ...............................................................69

3.7.1 Variacin del salto con el caudal y potencia de la turbina..............71

3.7.2 Almacenamiento diario para turbinar en horas punta.....................73

3.8 Energa firme ...............................................................................................74

3.9 Crecidas ........................................................................................................74

3.9.1 Crecida de diseo...........................................................................74

3.9.2 Estimacin de la crecida de proyecto.............................................76


6/174


vii

CAPITULO 4. TECNICAS UTILIZADAS PARA EVALUAR ELTERRENO

4. Tcnicas utilizadas para evaluar el terreno..............................................................................85

4.1 Introduccin............................................................................................................ 85

4.2 Cartografa .............................................................................................................. 85

4.3 Estudios geotcnicos .............................................................................................. 86

4.3.1 Tcnicas de estudio. Generalidades....................................................... 87

4.3.2 Tcnicas de estudio. Un caso prctico................................................88

4.3.2.1 El azud o presa de derivacin...................................................... 88

4.3.2.2 El canal de derivacin a cielo abierto........................................ 90

4.3.2.3 El canal de derivacin en tnel.................................................. 92

4.3.2.4 La casa de mquinas .................................................................. 96

4.4 Aprender de los errores .......................................................................................... 97

CAPITULO 5. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

5. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS...........................................................................106

5.1 Introduccin ................................................................................................106

5.2 Presas ..........................................................................................................106

5.2.1 Presas de tierra ............................................................................. 107

5.2.1 Presas de tierra .............................................................................107

5.2.2 Presas de hormign.......................................................................108

5.2.3 Cargas y estabilidad de una presa de gravedad............................ 109

5.2.4 Seguridad de la presa ................................................................... 110

5.3 Azudes y aliviaderos................................................................................... 111

5.3.1 Estructuras fijas ............................................................................112

5.3.2 Estructuras mviles ......................................................................114


7/174


viii

5.3.3 Otros tipos de aliviaderos .............................................................115

5.4 Estructuras para disipar energa. ................................................................. 121

5.5 Estructuras de toma de agua .......................................................................122

5.5.1 Generalidades. ..............................................................................122

5.5.2 Tipos de tomas de agua ................................................................123

5.5.3 Perdidas en la cmara de carga ....................................................127

5.5.4 Vorticidad ....................................................................................128

5.5.5 Rejillas .........................................................................................130

5.6 Trampas de sedimentos ...............................................................................133

5.6.1 Generalidades ...............................................................................133

5.6.2 Eficiencia de las trampas .............................................................134

5.6.3 Diseo de la trampa .....................................................................134

5.7 Vlvulas y compuertas.. ..............................................................................135

5.8 Canales abiertos ..........................................................................................140

5.8.1 Diseo y dimensionado ................................................................140

5.8.2 Excavacin y estabilidad ..............................................................144

5.9 Tuberas forzadas. .......................................................................................148

5.9.1 Disposicin general y eleccin de materiales. .............................148

5.9.2 Diseo hidrulico y requisitos estructurales ................................151

5.9.3 Apoyos y bloques de anclaje ........................................................162

5.10 Canal de retorno ........................................................................................162


8/174


ix

CAPITULO 6. EQUIPOS ELECTROMECANICOS

6 EQUIPOS ELECTROMECANICOS ........................................................................168

6.1 Casa de maquinas .......................................................................................168

6.2 Turbinas hidrulicas ....................................................................................170

6.2.1 Tipos y configuraciones ...............................................................170

6.2.2 Velocidad especfica y semejanza ...............................................181

6.2.3 Diseo preliminar .........................................................................185

6.2.4 Criterios para la seleccin de la turbina .......................................188

6.2.5 Rendimiento de las turbinas .........................................................194

6.3 Multiplicadores de velocidad ......................................................................196

6.3.1 Tipos de multiplicadores .............................................................. 197

6.3.2 Diseo de multiplicadores ............................................................198

6.3.3 Mantenimiento .............................................................................199

6.4 Generadores. ...............................................................................................199

6.4.1. Disposicin del generador respecto a la turbina .........................200

6,4.2 Excitatrices ...................................................................................201

6.4.3 Regulacin de tensin y sincronizacin. ......................................202

6.5 Control de la turbina ...................................................................................202

6.6 Equipos de sincronizacin y proteccin elctrica. ......................................206

6.7 Telecontrol ..................................................................................................207

6.8 Equipo elctrico auxiliar .............................................................................209

6.8.1 Transformador de servicio ...........................................................209

6.8.2 Suministro de corriente continua para el sistema de control .......209

6.8.3 Registro de niveles - cmara de carga y canal de descarga - .......209

6.8.4 Subestacin exterior .....................................................................210


9/174


x

CAPITULO 7 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y SU MITIGACIN

7 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y SU MITIGACIN ........................................217

7.1 Introduccin. ....................................................................................................217

7.2 Identificacin de impactos ...............................................................................218

7.3 Los impactos en fase de construccin .............................................................220

7.3.1 Embalses ...........................................................................................220

7.3.2 Tomas de agua, canales, tuberas a presin y canal de descarga. .....220

7.4 Los impactos en fase de explotacin ...............................................................221

7.4.1 Impacto snico ..................................................................................221

7.4.2 Impacto paisajstico ..........................................................................223

7.4.3 Impactos biolgicos ..........................................................................231

7.4.3.1 En el embalse .....................................................................231

7.4.3.2 En el cauce .........................................................................231

7.4.3.3 En el terreno .......................................................................248

7.4.3.4 Material recogido en las rejillas ..........................................2487.5 Impactos de las lneas elctricas ......................................................................249

7.5.1 Impacto visual ...................................................................................249

7.5.2 Impacto sobre la salud ..................................................................... 250

7.6 Conclusiones ....................................................................................................250

CAPITULO 8. ANALISIS ECONOMICO1

8 ANALYSIS ECONOMICO.......... ............................................................................ 252

8.1 Introduccin................................................................................................252

8.2 Consideraciones bsicas .............................................................................252

8.3Factor de actualizacin ...............................................................................255


10/174


xi

8.4Mtodos de evaluacin econmica .............................................................257

8.4.1. Mtodos estticos ........................................................................257

8.4.2 Mtodos dinmicos ..................................................................... 258

8.4.3 Ejemplos ....................................................................................260

8.5 Tarifas e incentivos ....................................................................................266

CAPITULO 9: PROCEDIMIENTOS ADMINISTRATIVOS

9 PROCEDIMIENTOS ADMINISTRATIVOS ..........................................................271

9.1 Introduccin.................................................................................................2719.2 Tipos de procedimientos............................................................................. 271

9.2.1 Generacin de energa. Autorizacin para el uso del agua. .........272

9.2.2 Procedimientos Medioambientales ..............................................274

9.2.3 Informacin pblica .....................................................................278

9.2.4 Requisitos para la construccin de las estructuras hidrulicas. ...278

9.2.5 Conexin a la red .........................................................................278

9.3 Algunos ejemplos prcticos ........................................................................279

9.3.1 Grecia ...........................................................................................279

9.3.2 Francia.......................................................................................... 281

9.3.3 Irlanda ..........................................................................................283

9.3.4 Austria ..........................................................................................284

9.3.5 Portugal ........................................................................................ 285

9.3.6 Polonia .........................................................................................286

9.3.7 Suiza .............................................................................................287

APENDICE A: LAS PCH EN EL MERCADO DE LA ELECTRICIDAD................ 288

GLOSARIO............................................................................................... 305


11/174


1

CAPITULO 1. INTRODUCCION

1. Introduccin ................................................................................................................2

1.1.Un recurso renovable y autctono ...........................................................................2

1.2.Definicin de pequeos aprovechamientos .............................................................3

1.3.Tipos de aprovechamiento.......................................................................................3

1.3.1. Aprovechamientos de agua fluyente...............................................................4

1.3.2. Centrales de pie de presa ................................................................................6

1.3.3. Centrales integradas en redes de agua ............................................................7

1.4. Planificacin y evaluacin de un aprovechamiento .............................................10

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Esquema de un aprovechamiento de montaa .................................................4

Figura 1.2 Esquema de una central de bajo salto con toma integrada...............................5

Figura 1.3 Esquema de una central de bajo salto con tubera forzada..............................6

Figura 1.4 Esquema de una central de pie de presa..........................................................6

Figura 1.5 Esquema de una central de bajo salto con toma por sifn ..............................7

Figura 1.6 Esquema de una central integrada en un canal de irrigacin ..........................7

Figura 1.7 Esquema de central con aliviadero en pico de pato ........................................8

Figura 1.8 Esquema de una central integrada en una conduccin de agua potable..........9


12/174


2

CAPTULO 1. INTRODUCCIN1

1.1 Un recurso renovable y autctono.

Como resultado de la "Tercera Conferencia de las Partes sobre el Cambio Climtico de

la ONU, celebrada en Kyoto en Diciembre de 1997, la Unin Europea reconoci lanecesidad urgente de poner en marcha el Programa Europeo de Cambio Climtico

(ECPP), cuyo objetivo es reducir las emisiones de gases de invernadero, en el horizonte

2010, en un 8% con respecto a 1990, lo que equivale a una reduccin de 336 millones

de toneladas de CO2 equivalente. Para facilitar a los Estados Miembros el cumplimiento

de este objetivo, la Comisin identific una serie de acciones, entre las que destacan,

por su importancia, las dirigidas a reducir la intensidad de energa, y a aumentar la

penetracin de las energas renovables. Para ese fin elabor, entre otros documentos, el

Libro Blanco de la Energa de 1997, el Plan de Accin para los recursos renovables

(RES) 1998-2010 y la Directiva 2001/77/EC sobre promocin de la generacin de

electricidad con recursos renovables (RES-e). As mismo dio prioridad a los RES en las

nuevas regulaciones referentes a los fondos estructurales, a la investigacin, desarrollo y

demostracin de los RES en el marco del 5 y 6 RTD FP y abord la redaccin del

borrador de Directiva para la conexin a la red de los productores de electricidad con

recursos renovables..

Desde los comienzos de la produccin de electricidad, la hidrulica ha sido, y sigue

siendo, la primera fuente renovable utilizada para su generacin. Hoy en da la

hidroelectricidad la suma de la convencional y de la pequea representa, en la

Unin Europea, de acuerdo con las cifras del Libro Blanco, el 13% del total, reduciendo

consiguientemente en ms de 67 millones las toneladas de CO2

emitidas por ao. Ahora

bien, as como los aprovechamientos hidroelctricos convencionales, en los que la

importancia de la obra civil y la necesaria inundacin de grandes reas para embalsar el

agua y crear la necesaria altura de salto, dan lugar a importantes impactos en el entorno,los pequeos aprovechamientos se integran fcilmente en el ecosistema ms sensible.

En el 2001 la potencia global instalada en la Unin Europea ascenda a 118 GW, y se

generaron unos 365 TWh., de los que la pequea hidrulica, con una potencia instalada

de 9,9 GW (el 8,4% ), produjo 39 TWh (el 11% de la produccin hidrulica). Si la

poltica reguladora fuese ms favorable, se podra cumplir el objetivo de la Comisin

para el horizonte 2010 (14 000 MW de potencia instalada), con lo que la pequea

hidrulica sera el segundo contribuyente de RES-e, despus de la elica.

La mayora de los pequeos aprovechamientos hidroelctricos son del tipo de agua

fluyente, lo que quiere decir que las turbinas generan electricidad mientras pase por

ellas un caudal igual o superior a su mnimo tcnico y se paran cuando el caudaldesciende por debajo de ese nivel. Normalmente este tipo de aprovechamientos no tiene

posibilidad de almacenar agua para generar en horas punta, aunque existen excepciones,

sobre todo en aprovechamientos de montaa, en las que se ensancha la cmara de carga

para ese propsito.

Algunos pequeos aprovechamientos trabajan como centrales aisladas, pero

difcilmente pueden hacer frente al suministro seguro de electricidad, a no ser que se

dimensionen de forma que est garantizado, a lo largo del ao, el caudal mnimo


13/174


3

necesario, por existir un lago aguas arriba o estar situados aguas debajo de una central

convencional que turbina todo el ao. En los pases industrializados, y en muchos de los

pases en vas de desarrollo, estos aprovechamientos se conectan, en general, a la red

principal. Con esta solucin la red toma a su cargo la regulacin de la frecuencia, pero

obliga al productor a vender su electricidad, a precios a menudo muy bajos, a la

compaa distribuidora. En los ltimos aos, los gobiernos nacionales, que en general

son los que fijan las tarifas elctricas, concienciados por las ventajas medioambientalesde los RES y animados por la Directiva de electricidad RES-e, han incrementado los

precios de venta de estos productores. Alemania y Espaa, al racionalizar los precios de

venta, para compensar los costes internos de las energas convencionales, han hecho

posible un desarrollo extraordinario de la electricidad verde, sobre todo en la de origen

elico.

1.2 Definicin de pequeos aprovechamientos

No existe consenso, entre los estados miembros de la Unin Europea, para definir la

pequea hidrulica. Algunos pases como Portugal, Espaa, Irlanda y msrecientemente Grecia y Blgica, consideran "pequeas" todas las centrales cuya

potencia instalada no supera los 10 MW, aunque desde el punto de vista tarifario las

centrales entre 10 MW y 50 MW tienen ciertas ventajas. En Italia el limite est situado

en los 3 MW (la electricidad procedente de centrales de mayor tamao tiene un precio

sensiblemente inferior). En Francia, el limite se ha establecido recientemente en 12

MW, no como especificacin de pequeo aprovechamiento, sino como potencia

mxima por debajo de la cual la red tienen obligacin de adquirir la electricidad

generada por las mismas. En el Reino Unido no existe limite oficial pero parece

prevalecer el criterio de los 10 MW.. En lo que sigue se han adoptado los 10 MW,

siguiendo el criterio de 5 pases miembros, la Comisin Europea, la ESHA y la

UNIPEDE (Unin Internacional de Productores y Distribuidores de Electricidad)

1.3 Tipos de aprovechamientos

El objetivo de un aprovechamiento hidroelctrico es convertir la energa potencial de

una masa de agua situada en un punto - el ms alto del aprovechamiento en energa

elctrica, disponible en el punto ms bajo, donde est ubicada la casa de mquinas. La

potencia elctrica que se obtiene en un aprovechamiento es proporcional al caudal

utilizado y a la altura del salto

De acuerdo con la altura del salto los aprovechamientos pueden clasificarse en .

De alta cada: salto de ms de 150 m

De media cada: salto entre 50 y 150 m

De baja cada: salto entre 2 y 20 mEstos lmites son arbitrarios y solo constituyen un criterio de clasificacin.

Otra clasificacin en funcin del tipo de central sera la de:

Aprovechamientos de agua fluyente

Centrales a pie de presa con regulacin propia

Centrales en canal de riego o tubera de abastecimiento de agua

Centrales ubicadas en plantas de tratamiento de aguas residuales


14/174


4

1.3.1 Aprovechamientos de agua fluyente

Son aquellos aprovechamientos que no disponen de embalse regulador, de modo que la

central trabaja mientras el caudal que circula por el cauce del ro es superior al mnimo

tcnico de las turbinas instaladas, y deja de funcionar cuando desciende por debajo de

ese valor. Dentro de este concepto, y dependiendo de la topografa del terreno, pueden

diferenciarse varias soluciones:

Los aprovechamientos de media y alta cada en ros de fuerte pendiente, utilizan un

azud o presa, generalmente de baja altura, que remansa el agua elevando su cota para

desviarla hacia una estructura de toma. Desde esta, una tubera a presin conduce el

agua directamente a la central. Las tuberas a presin son relativamente caras por lo que

esta solucin muchas veces tiene un coste elevado. La alternativa (Figura 1.1) es llevar

el agua por un canal de poca pendiente, que discurre paralelo al ro, hasta la cmara de

carga, desde la que una tubera forzada la conduce a presin a la casa de mquinas. Si

las caractersticas topogrficas o morfolgicas del terreno no son favorables, el canal

puede no ser la solucin ptima. En estos casos, una tubera de baja presin, con una

pendiente superior a la del canal, puede resultar ms econmica. A la salida de las

turbinas el agua se restituye al cauce mediante un canal de desage.

tunel

casa de maquinas

canal

estanque

ro

ro

river

azud

canal de restitucion

cmara de carga

ELEVACION

figura 1.1 esquema de un aprovechamiento de montaa

tuberia forzada

casa de maquinas

tuberia forzada

tuberia forzada

cmara de cargacanalazud

En ocasiones la presa de derivacin se dimensiona para crear un pequeo embalse con

capacidad para poder turbinar solo en horas punta, en las que el precio pagado por el

Kwh. es ms favorable. En otras, la cmara de presin puede convertirse en un pequeo

depsito regulador, aprovechando las posibilidades que ofrecen hoy los geotextiles.


15/174


5

figura 1.2

A

A

SECCION A-A

elevacion

generador

ELEVACION

fondo del ro

compuerta radial

accionamiento de la compuerta limpia rejas

escala de peces

rejillas

escala de peces

compuerta radial compuerta radialcompuerta radial

compuerta radial

rejillas

Los aprovechamientos de baja altura son esquemas tpicos de valle, que admiten dos

soluciones:

No existiendo topogrficamente altura de salto, este se constituye mediante una

presa, generalmente provista de aliviaderos de compuerta radial. En este tipo de

centrales, la presa con sus compuertas radiales. la toma de agua y la casa de

mquinas propiamente dicha, con su escala de peces adosada, forman una

estructura nica (figura 1.2).


16/174


6

Si en el curso del ro existe una cada, el agua se deriva a un canal, similar al de

los aprovechamientos de montaa, que conduce el agua a una cmara de carga

de la que sale una tubera forzada corta (Fig. 1.3) que alimenta la turbina.

figura 1.3

generador

rejilla

tuberiaforzada

1.3.2 Centrales de pie de presa

Un pequeo aprovechamiento hidroelctrico no puede permitirse la construccin de un

gran embalse, dado el elevado coste de la presa y sus instalaciones anexas. No obstante,

si existen embalses construidos para otros usos - regulacin de caudal, proteccin contra

avenidas, riegos, alimentacin de agua potable, etc. - se puede generar electricidad con

los caudales excedentes, o con los desembalses para riegos y abduccin de agua, e

incluso con el caudal ecolgico que est obligado a mantener el embalse.

figura 1.4

En este caso es necesario comunicar el nivel de aguas arriba con el de aguas abajo,

mediante una estructura hidrulica en la que se inserte la turbina. Si la presa tiene unasalida de fondo (figura 1.4) la solucin es obvia. Si no existiera ninguna toma de agua

prevista podra utilizarse una toma por sifn (figura 1.5), solucin muy elegante que no

exige realizar obras de fbrica en la presa y el conjunto puede ser transportado a obra,

completamente pre-montado. La solucin es adecuada para presas de hasta 10 m de

altura y turbinas de no ms de 1 MW, aunque exista un ejemplo en Suecia, de una toma

de sifn en una central de 11 MW, y varias tomas de sifn con alturas de hasta 30 m en

los Estados Unidos.


17/174


7

aspiracin

figura 1.5

generador

turbina

1.3.3 Centrales integradas en redes de agua

Existe tambin la posibilidad de insertar una central hidroelctrica, para generar

electricidad, en una red de agua, existente o en proyecto. En una primera aproximacin

se contemplan las redes de distribucin de agua potable, los canales de irrigacin y,

eventualmente, de navegacin, y las estaciones de tratamiento de aguas residuales. Estos

aprovechamientos tienen la ventaja de que muchas de los estructuras ya existen, lo que

disminuye el coste de la inversin; el impacto ambiental suplementario es prcticamente

nulo, y las gestiones burocrticas para la obtencin de permisos se simplifican.

PLANT

Bypass

figure 1.6

SECTION


18/174


8

1.3.3.1 Centrales en canales de irrigacin

Existen, al menos, dos tipos de esquemas para insertar una central hidroelctrica

en un canal de irrigacin:

Se ensancha el canal para poder instalar en el la toma de agua, la central y

el canal de fuga. La figura 1.6 muestra la solucin con una casa demaquinas sumergida equipada con una turbina Kaplan con reenvo a 90.

Para asegurar el suministro de agua a los regados, hay que prever un canal

alternativo para cuando se cierre la turbina. La foto 1.1 muestra una

solucin con central no sumergida el canal de circunvalacin (bypass) es

visible a la izquierda de la foto - Esta solucin hay preverla al disear el

canal, o construirla aprovechando una remodelacin importante del mismo.

Foto 1.1

Si el canal est ya en funcionamiento puede acudirse a una solucin del

tipo de la esbozada en la figura 1.7.


19/174


9

Como se ve, la toma de agua se hace mediante un aliviadero en pico de pato,

para reducir su anchura y facilitar su insercin. Desde la toma el agua es

conducida a la turbina por una tubera forzada paralela al canal, al que regresa

por el canal de restitucin.

1.3.3.2 Centrales en sistemas de alimentacin de agua potable

La conduccin de agua potable a una ciudad se suele plantear como una tuberaa presin que conduce el agua desde un embalse a la estacin de tratamiento, a

cuya entrada, un sistema de vlvulas especialmente concebidas para ello se

encargan de disipar la energa hidrosttica, que en muchos casos es importante.

Existe la posibilidad de disipar esa energa mediante una turbina que la emplea

en generar energa elctrica. En todo caso, previendo el cierre de la turbina

para mantenimiento o para evitar eventualmente su empalamiento- es necesario

prever un circuito paralelo con vlvulas disipadoras.

Como la tubera suele ser de gran longitud y en ocasiones no est en muy buenas

condiciones, es necesario garantizar que el funcionamiento de las vlvulas que

gobiernan el cierre de la turbina y la apertura simultnea del circuito paralelo, no

de lugar a presiones transitorias que pongan en peligro la conduccin, ni alteren

las condiciones en que tiene lugar el suministro. En ocasiones estos

aprovechamientos trabajan en contrapresin. As como en un aprovechamiento

convencional, el agua a la salida de la turbina est a la presin atmosfrica, aqu

est sujeta a la contrapresin de la red o de la estacin de tratamiento. La figura

1.8 muestra esquemticamente la configuracin de una central de este tipo que

exige un sistema de regulacin y control muy particulares.

casa de maquinas

industrias

figura 1.8

ciudad

deposito compensacin

deposito

1.3.3.3 Centrales en sistemas de depuracin de aguas residuales.

Dependiendo de la topologa de la estacin de tratamiento de aguas residuales, la

central puede ser ubicada aguas arriba o aguas abajo de la estacin. En el primer

caso, ser necesario hacer pasar las aguas grises a travs de un sistema de rejillas

y una instalacin de decantacin para eliminar los slidos; en el segundo se trata

de una instalacin prcticamente convencional..

MHyLab cita tres instalaciones: una en Leysin, en el cantn suizo de Vaud, en la

que una turbina Pelton de 430 Kw. de potencia, trabaja con agua ya tratada; otra


20/174


10

en Le Chable, en la que una turbina Pelton de 447 kW. de potencia alimentada

con las aguas residuales de la estacin de ski de Verbier, a la entrada de la planta

de tratamiento; y otra, en curso de construccin en Amman (Jordania), que en

realidad es doble (una central con dos Pelton de 335 kW cada una, alimentadas

con agua bruta y otra central con dos Francis de eje vertical de 371 kW,

alimentadas con agua ya tratada). Es indudable que la turbina que trabaja con

agua bruta est sujeta a un desgaste y una corrosin muy superior a la quetrabaja con agua ya tratada. Pero incluso las alimentadas con aguas grises

soportan perfectamente el trabajo.

1.4 Planificacin y evaluacin de un aprovechamiento

El estudio de un aprovechamiento constituye un proceso complejo e iterativo, durante el

cual, se comparan desde una ptica econmica, pero sin perder de vista su impacto

ambiental, los diferentes esquemas tecnolgicos posibles, para terminar escogiendo el

que ms ventajas ofrece. Las posibles soluciones tecnolgicas vienen condicionadas

adems de por los factores ya mencionados, por la topografa del terreno y por la

sensibilidad ambiental de la zona. As pues, aunque es difcil elaborar una gua

metodolgica para la evaluacin de un aprovechamiento, s se pueden indicar los pasos

fundamentales que hay que seguir, antes de proceder o no a un estudio detallado de

factibilidad. Estos pasos constituyen la estructura de este manual y se pueden definir

como:

Identificacin topogrfica del lugar, incluido el salto bruto disponible

Evaluacin de los recursos hidrulicos, para calcular la produccin de energa

Definicin del aprovechamiento y evaluacin preliminar de su costo

Turbinas hidrulicas, generadores elctricos y sus equipos de control.

Evaluacin del impacto ambiental y estudio de las medidas correctoras

Estudio econmico del aprovechamiento y vas de financiacin y Conocimiento de los requisitos institucionales y de los procedimientos

administrativos para su autorizacin.

El comportamiento del agua fluyendo por los cauces naturales, vertiendo sobre los

aliviaderos, circulando por los canales y tuberas a presin y accionando las turbinas,

obedece a unos principios hidrulicos, basados en la mecnica de los fluidos y en la

experiencia acumulada durante siglos. En el captulo 2 se estudian esos principios, con

la extensin y profundidad coherentes con un manual de pequeas centrales, como es

ste. Para estudiar la viabilidad de un aprovechamiento es necesario comenzar por

evaluar su potencial energtico, que es una funcin del caudal que se puede turbinar y

del salto disponible - distancia medida en vertical, entre el nivel de la lmina de agua en

la derivacin y a la salida de la turbina. El salto se puede medir fcilmente con un nivel,un taqumetro o un clinmetro, y salvo en los saltos de poca altura puede considerarse

que permanece constante. El caudal por otra parte viene afectado por multitud de

factores: pluviometra, naturaleza del terreno, cubierta vegetal, y temperatura en la

cuenca de recepcin. Hoy en da hay muchas cuencas que disponen de series temporales

de caudales perfectamente fiables.


21/174


11

En el Captulo 3 se estudian varios metidos de medida del caudal as como distintos

modelos y herramientas que permiten estimar el caudal medio y el rgimen de caudales,

en las cuencas no aforadas.

El captulo 4 contempla las tcnicas utilizadas para evaluar un emplazamiento:

cartografa, geomorfologa, trabajos de campo, etc.

En el Captulo 5 se estudian las estructuras hidrulicas que integran, o pueden integrar,

un aprovechamiento - azudes, tomas de agua, canales hidrulicos, tneles, aliviaderos

etc. - y el estado del arte para su diseo.

El captulo 6 est destinado a los equipos electromecnicos que convertirn la energa

potencial del agua, en energa elctrica. Se estudian los tipos de turbinas existentes y sus

campos de aplicacin, los multiplicadores que con frecuencia se intercalan entre turbina

y generador, y los generadores propiamente dichos. Dada la extensin alcanzada por los

sistemas automticos se pasa revista a sus posibilidades actuales, que son inmensas. En

ningn caso se pretende profundizar en la teora del funcionamiento de los distintos

componentes, considerando que este dominio pertenece a los fabricantes, pero se dan

criterios para su correcta seleccin.

En el captulo 7 se aborda, en profundidad, el tema medioambiental, resaltando las

ventajas que, desde el punto de vista global, ofrece este recurso, ventajas que no eluden

la necesidad de mitigar los impactos en el ecosistema local.

En el captulo 8 se explicitan las tcnicas de anlisis econmico generalmente utilizadas

para la toma de decisiones. Se comparan las diversas metodologas utilizadas,

explicndolas sobre la base de tablas que muestran los flujos de caja generados por el

aprovechamiento en estudio.

En el captulo 9 se expone, a grandes rasgos, el marco institucional existente en los

pases de la Unin Europea. Desgraciadamente dada la situacin fluida creada por las

medidas de desregulacin del mercado elctrico Europeo, no es posible detallar los

procedimientos administrativos con el detalle que figuran en el informe elaborado por

ESHA, bajo contrato con la CE, Direccin General de Energa (DG-XVII), en

Diciembre de 1994 -"Small Hydropower: General Framework for Legislation and

Authorisation Procedures in the European Union". El informe puede ser consultado en

la pgina Web de ESHA (www.esha.be). El anlisis econmico exige un conocimiento

de los precios de compra de la energa producida por los productores independientes,

precios que en general son precios regulados y fijados por los gobiernos nacionales.

El Apndice A del capitulo 9 da una idea de como se mueven dichos precios en los

distintos pases de la Unin Europea.

Actualizado por Celso Penche (ESHA), Francis Armand (ADEME), Vincent Dennis (MhyLab) y Christer

Sderberg (SERO)


22/174


12

.


23/174


CAPITULO 2.FUNDAMENTOS DE INGENIERA HIDRULICA

2 FUNDAMENTOS DE INGENIERA HIDRULICA...............................................15

2.1Introduccin. ......................................................................................................15

2.2Circulacin de agua en tuberas .........................................................................15

2.2.1 Prdida de carga por friccin ..............................................................18

2.2.2 Perdida de carga por turbulencia.........................................................24

2.2.3 Regmenes transitorios ........................................................................29

2.3 Circulacin del agua en canales abiertos ...........................................................33

2.3.1 Clasificacin de los tipos de circulacin en canales abiertos..............34

2.3.2 Flujo uniforme en canales abiertos .....................................................35

2.3.3 Secciones eficientes en canales abiertos, ............................................36

2.3.4 Principios de energa en canales abiertos............................................37

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Distribucin de velocidad en flujo laminar y en turbulento.........................16Figura 2.2 Gradiente hidrulico y gradiente energtico ................................................17Figura 2.3 como funcin del nmero de Reynolds ....................................................21Figura 2.4 Perdida de carga al atravesar una rejilla.......................................................25Figura 2.5 Valores de Kc y Kex en funcin de d/D ......................................................26Figura 2.6 Coeficiente de perdida de carga en un difusor.............................................27Figura 2.7 Perdida de carga a la entrada de la tubera...................................................28Figura 2.8 Perdida de carga por curvatura de vena .......................................................28Figura 2.9 Perdida de carga en vlvulas........................................................................29Figura 2.10 Fenmeno de golpe de ariete........................................................................31

Figura 2.11 Distribucin tpica de velocidades en un canal abierto................................33Figura 2.12 Varios tipos de flujo variable .......................................................................34Figura 2.13 Distribucin de presiones en un canal curvo................................................37Figura 2.14 Energa especfica en funcin del tirante .....................................................38Figura 2.15 Diagrama de Moody; factor f en tuberas ....................................................411

13


24/174


LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1: Altura de rugosidad, e, para diversos tubos comerciales. ..............................20Tabla 2.2: Coeficiente de Manning n para diversos tubos comerciales .........................23Tabla 2.3: Coeficients Hazen-Williams...........................................................................24

Tabla 2.4: Perdida de carga adicional cuando el flujo no es perpendicular a la misma ..25Tabla 2.5: Valores tpicos del n de Manning...................................................................36Tabla 2.6: Propiedades geomtricas de los canales.........................................................39Tabla 2.7 Ecuaciones semi-empricas para calcular yc .............................................................................. 40

14


25/174


2. FUNDAMENTOS DE INGENIERA HIDRULICA1

2.1 Introduccin.

La ingeniera hidrulica, se fundamenta en la mecnica de los fluidos, aunque enocasiones, ante la imposibilidad de abordar un problema concreto mediante su anlisismatemtico, utilice formulas empricas. Todava no existe, ni posiblemente existirnunca, una metodologa general para el anlisis matemtico del movimiento de losfluidos reales. S se dispone, en cambio, de soluciones particulares a casos especficos,as como de una monumental base de datos resultado de la experiencia. Experiencia quese remonta al menos al 3.200 A.C. ao en que se construy un gigantesco sistema dedrenaje e irrigacin en Egipto, del que aun se conservan restos, o como mnimo al 500A.C., cuando se construy un colosal sistema de irrigacin en Siechuan, China, que esttodava en servicio.

La ingeniera hidrulica permite, en el diseo de un aprovechamiento de pequeahidrulica:

Optimizar las infraestructuras para reducir las perdidas de energa Disear los aliviaderos para que puedan dar paso a las avenidas previsibles Disear las infraestructuras que disipen la energa del vertido Controlar la erosin producida por la energa del agua Controlar fenmenos tales como:

o Inestabilidad en las conducciones de agua debido a turbulenciaso Entrada de aire en conductos cerradoso El golpe de ariete en conductos cerradoso Cavitacin

Estudiar los fenmenos de sedimentacin, entre otros para eliminar las partculasde pequeo tamao que pueden daar los equipos de produccin.

En este capitulo se estudian los fundamentos de la mecnica de fluidos y su aplicacin alos problemas planteados ms arriba.

2.2 Circulacin de agua en tuberas..La energa contenida en un fluido incompresible que circula por el interior de un

conducto cerrado viene dada por la ecuacin de Bernoulli:

g

VPhH

2

211

11 ++=

(2.1)

en la que H es la energa total, h la elevacin de la lnea de corriente sobre un plano dereferencia, P la presin, g el peso especfico del fluido, V la velocidad de la lnea decorriente y g la aceleracin de la gravedad. La energa total en el punto 1 es pues lasuma de la energa potencial h1, la energa de presin P1/ y la energa cintica V1

2/2g.

Osborne Reynolds observ en el siglo pasado que, cuando se hace circular agua con unhilo de tinta en un tubo de cristal, a una velocidad suficientemente baja, el flujo exhibe

15


26/174


un comportamiento laminar: el agua fluye en forma de tubos mltiples concntricos, depared muy delgada. El tubo virtual exterior se adhiere a la pared del tubo real, mientrasque cada uno de los siguientes se desplaza a una velocidad ligeramente mayor que elanterior, hasta alcanzar un mximo en el centro del tubo. La distribucin de la velocidadtoma la forma de un paraboloide de revolucin cuya velocidad media (figura 2.1) es el

cincuenta por ciento del valor mximo en el eje del tubo.

,.

Si se aumenta la velocidad llega un momento en el que el hilo de tinta se rompebruscamente. Las partculas cercanas a la pared, frenan a las que circulan a mayorvelocidad por el interior. En ese momento el flujo pasa a ser turbulento, y la distribucin

de velocidad es ms plana. Reynolds encontr que el punto de transicin de flujolaminar a flujo turbulento vena determinado por un nmero adimensional Re (nmerode Reynolds) que, en el caso de un tubo de seccin circular, viene dado por el productodel dimetro del tubo D (m) y la velocidad media V (m/s), dividido por el coeficiente deviscosidad cinemtica del fluido (m2/s)

DVRe = (2.2).

Se ha encontrado experimentalmente que, en un fluido que circula por un tubo deseccin circular y paredes lisas, la transicin de flujo laminar a flujo turbulento ocurreaproximadamente cuando Re alcanza el valor 2000. En realidad esta transicin no

siempre ocurre exactamente para Re = 2000, sino que vara con las condiciones en quese realiza el experimento, de forma que ms que un punto de transicin lo que realmenteexiste es una zona de transicin.

Ejemplo 2.1

Un tubo de seccin circular, de 60 mm de dimetro conduce agua a 20 C. Calcularcual es el mximo caudal que puede circular en rgimen laminar.

La viscosidad cinemtica del agua a 20 C es = 1 x 10-6 m2/s.Admitiendo un valor conservador Re = 2000

V = 2000 x 10-6

/0,06 = 0,033 m/sQ = AV = /4 x 0,062 x 0,033 = 3,73 x 10-4 m3 /s = 0,373 l/s

16


27/174


La viscosidad hace que el agua, circulando por el interior de un tubo, experimente unaprdida de energa hf debida a:

1. La friccin contra las paredes del tubo2. La disipacin viscosa como consecuencia de la friccin interna del flujo

La friccin contra las paredes viene condicionada por su rugosidad y por el gradiente develocidad en sus proximidades. En la figura 2.1 se observa que el gradiente develocidad, en las cercanas de la pared, es mayor en el flujo turbulento que en ellaminar. Por tanto al aumentar el nmero de Reynolds debe esperarse un aumento de lafriccin. Al mismo tiempo, al aumentar la turbulencia aumenta el entremezclado departculas, y por lo tanto la disipacin viscosa en el flujo. Por todo ello la perdida decarga en rgimen turbulento es siempre mayor que en rgimen laminar.

Aplicando la ecuacin de Bernouilli a un fluido real en dos posiciones de su recorrido seconstata que:

fhhP

g

Vh

P

g

V+++=++ 2

22

21

12

1

22 (2.3)

en la que aparece en el segundo termino de la igualdad, una cantidad hf que representala energa perdida en el tramo 1-2, fundamentalmente como consecuencia de la friccindel fluido contra las paredes del tubo y en menor medida de la friccin interna debida ala turbulencia. En la figura 2.2, LAM, es la lnea de altura motriz y LNE la lnea denivel energtico. Si la seccin del tubo es constante, V1=V2 y ambas lneas sernparalelas. El problema que se plantea en la ingeniera hidrulica de los fluidos reales es,precisamente, como evaluar la perdida de carga hf.

17


28/174


2.2.1 Prdida de carga por friccin

Utilizando la metodologa de los volmenes de control - un cierto volumen en el interiordel tubo, ubicado entre dos secciones perpendiculares a su eje, al que se aplica elprincipio de conservacin de masa - Darcy y Weisbach derivaron la siguiente ecuacin,

valida tanto para flujos laminares como turbulentos, circulando en conductos de seccintransversal arbitraria:

h fL

D

V

2gf

2

= FHIK (2.4)

donde f, factor de friccin, es un nmero adimensional, L la longitud del tubo en m, Del dimetro del tubo en m, V la velocidad media en m/s y g la constante gravitacional(9,81 m/s2). Si el conducto no es de seccin circular, D se computa como el resultado dedividir el rea A de la seccin por la cuarta parte del permetro p: D=4A/p. Se trata pues

de conocer el factor de friccin f.

Si el flujo es laminar, f se calcula directamente mediante la ecuacin:

f =64

VD

64

Re

= (2.5)

Como se ve en (2.5) el factor de friccin f, en rgimen laminar, es independiente de larugosidad de las paredes, e inversamente proporcional a Re. El hecho de que fdisminuya al aumentar Re, no debe llevar al equivoco de pensar que la friccindisminuye con la velocidad. La perdida de carga se obtiene sustituyendo f en laecuacin (2.4) por su valor en (2.5)

h64

VD

L

D

V

2g

32 LV

gDf

2

2= =

(2.6)

por la que se ve que en flujo laminar, la perdida de carga unitaria es proporcional a V einversamente proporcional al cuadrado del dimetro del tubo.

Se observa que incluso para valores de Re >> 3000, correspondiente a un rgimenfrancamente turbulento, en las inmediaciones de la pared del tubo existe una capa de

fluido muy delgada conocida como subcapa laminar, cuyo espesor disminuye alaumentar Re. Se dice que un tubo es hidrulicamente liso, cuando su rugosidad esinferior al espesor de esa subcapa.

En tubos hidrulicamente lisos el factor de friccin fno viene afectado por la rugosidaddel tubo. Von Karman, utilizando la ecuacin logartmica de la capa limite, encontr lasiguiente ecuacin que permite calcular f:

1

f2 log

R f

2,1

e=FHG

IKJ

(2.7)

Para valores muy altos de Reynolds, el espesor de la subcapa disminuyesignificativamente, y el factor de friccin es independiente de Re, y depende

18


29/174


exclusivamente de la rugosidad relativa e/D. En este rgimen el tubo es hidrulicamenterugoso y Von Karman dedujo que, para este caso, el factor f se poda expresar por lasiguiente ecuacin:

1

f2 log 3,7

D

e= FH

IK (2.8)

Entre estas dos situaciones, el tubo no es ni completamente liso ni completamenterugoso. Para cubrir esta zona de transicin, Colebrook y White combinaron la ecuacinpara tubos lisos con la del flujo dominado por la rugosidad, para obtener:

1

f2 log

e/D

3,7

2,51

R fe= +

FHG

IKJ

(2.9)

Estas formulas son difciles de resolver a mano, por lo que Moody, en 1944, lasrepresent grficamente en lo que se conoce como diagrama de Moody, representado

esquemticamente en la figura de la pagina siguiente. En dicha figura se diferenciancinco zonas:

1. Una zona laminar en la que fes una funcin lineal del nmero de Reynolds2. Una zona crtica, con definicin algo confusa, en la que el rgimen no es ni

turbulento ni laminar y en la que no se encuentran valores de f3. Una zona de transicin en la que f depende del nmero de Reynolds y de la

rugosidad e/D4. Una lnea que corresponde a los tubos lisos5. Una zona plenamente turbulenta en la que fdepende solamente del valor e/D de la

rugosidad

Diagrama de Moody

En la figura 2.15 se representa un diagrama de Moody ms completo y exacto, ya que elanterior solo sirve a efectos descriptivos, pero no es aplicable para la estimacin de losvalores.

19


30/174


El mismo Moody, a partir de ensayos realizados con tubos comerciales, comput losvalores tpicos de rugosidad .e tal como figuran en la tabla 2.1

.Tabla 2.1. Altura de rugosidad, e, para diversos tubos comerciales

Tipo de tubo e (mm)

Tubera de polietileno 0,003Tubera de fibra de vidrio con resina epoxy 0,003Tubera de acero estirado sin costura (nuevo) 0,025Tubera de acero estirado sin costura (ligeramente oxidado) 0,250Tubera de acero estirado sin costura (galvanizado) 0,150Tubera de acero soldado 0,600Tubera de hierro fundido protegido con barniz centrifugado 0,120Tubera de Uralita 0,025

Tubera de duelas de madera 0,600Tubera de hormign colado in situ/encofrado metlico 0,360

La perdida de carga hf es una funcin directa de f, segn la formula de Darcy yWeisbach (ecuacin 2.4). El problema reside pues en calcular f. Si el flujo es laminar Er < 3000 f se calcula directamente por la ecuacin (2.5). Si el flujo es turbulentotendremos que acudir a la ecuacin de Colebrook-White (2.9), que hay que resolvermediante clculos iterativos. Uno de los mtodos empleados para resolver estasiteraciones es el de Newton-Raphson. Igualmente, empleando una hoja electrnica, ypartiendo de un valor estimado de f, se obtiene un valor muy prximo al real, en muypocas operaciones. En la pgina Web http://www.connel.com/freeware/scripts.shtmlhay un script que resuelve directamente la ecuacin (2.9).

En la prctica los principales problemas que se plantean son:

Cual es la perdida de carga en un tubo (o en general en un conducto cerrado) conun dimetro, una longitud y una rugosidad determinados, por el que pasa uncaudal dado.

Cual es la velocidad mxima del agua circulando en un tubo de dimetro,longitud y rugosidad dados para que la perdida de carga no supere un limite

dado.

Ejemplo 2.2

Por una tubera de acero soldado de 900 mm de dimetro y 500 m de longitud sehace pasar un caudal de 1,2 m3/seg. Calcular la perdida de carga por friccin conel diagrama de Moody.

La velocidad media V es igual a 4 Q/D2 = 1,886 m/sDe la Tabla 2.1 e = 0,6 mm. y por lo tanto e/D = 0.6/900 = 0,000617;

Re= DV/ =(0,9 x 1,886)/1,31 x 10-6 = 1,3*106 ( con =1,31 x 10-6)Del diagrama de Moody con e/D = 0,00062 y Re= 1,3*106, f = 0,019

20
http://www.connel.com/freeware/scripts.shtmlhttp://www.connel.com/freeware/scripts.shtml


31/174


De la ecuacin (2.4): mx

hf 9,181,2

886,1

9,0

500019,0

2

=

=

Para resolver el segundo caso se hace uso de una variable independiente ,2

2

1efR= (2.10)

en la que sustituyendo respectivamente Re y f por su valor en las ecuaciones (2.2) y(2.4), se llega a la ecuacin:

2

3

L

hgD f= (2.11)

en la que D, L, hf yson datos del problema, con los que se obtiene . Obtenido bastadespejar f en la ecuacin (2.10), y sustituirlo en la ecuacin (2.9) para obtener

+=

2

51,2

7,3log22 D

e

Re (2.12)

ecuacin que permite dibujar la evolucin de Re en funcin de para diferentes valoresde e/D, tal y como se ve en la figura 2.3, que constituye una variante del diagrama deMoody,

21


32/174


Ejemplo 2.3

Calcular el caudal de agua que puede circular por una tubera de acero soldado, de1,5 m de dimetro, sin que la perdida de carga supere los 2m por Km. de longitud.

Basta resolver la ecuacin (2.12), con e/D = 0,6/1500 = 4x10-4

para lo que hay quecalcular previamente el parmetro . Sustituyendo valores.

( )10

26

3

1086,31031,11000

25,181,9=

=

6

10

410 1019,2

1086,32

51,2*

7,3

104log1086,322 =

=

eR

smAVQsmD

RV e /381,3;/913,1

5,11031,11019,2 366 =====

Formulas empricas.

A lo largo de la historia se han desarrollado un buen nmero de formulas empricas,obtenidas como resultado de la experiencia. Por lo general carecen de coherenciadimensional y no se apoyan en principios cientficos slidos sino en conocimientosintuitivos que permiten deducir que la resistencia al paso de un flujo por un tubo es:

Independiente de la presin del agua Linealmente proporcional a su longitud Inversamente proporcional a una potencia determinada del dimetro Proporcional a una potencia determinada de la velocidad Est influida por la rugosidad de las paredes si el rgimen es turbulento

Una formula muy utilizada para la circulacin en canales abiertos, pero aplicabletambin a la circulacin en tuberas, es la desarrollada por Manning

32

2135

1

P

SA

nQ = (2.13)

en la que n es el coeficiente de rugosidad de Manning, P es el permetro mojado enmetros y S es el gradiente hidrulico, o perdida de carga por metro lineal.

Aplicado a un tubo de seccin circular, lleno:

316

2229,10

D

QnS

= (2.14)

La Tabla 2.2 muestra el valor experimental n de Manning, para diferentes tubos.

22


33/174


Tabla 2.2 Coeficiente n de Manning para diversos tubos comerciales

Tipo de tubo n

Tubera de acero soldado 0,012

Tubera de polietileno PE 0,009Tubera de PVC 0,009Tubera de Uralita 0,011Tubera de hierro dctil 0,015Tubera de hierro fundido 0,014Tubera de duelas de madera creosotadas 0,012Tubera de hormign colado in situ (encofrado metlico) 0,014

En el ejemplo 2.4 y sobre todo, en el 2.5 se comparan los resultados obtenidos por estaecuacin, con los calculados a partir de la de Colebrook-White. Hay que subrayar que la

ecuacin de Manning se resuelve utilizando una simple calculadora de bolsillo

Ejemplo 2.4

Con los datos del ejemplo 2.2 calcular la perdida de carga por friccin utilizando laformula de Manning

Tomando n=0,012 para el acero soldado

00374,09,0

2,1012,029,103333,5

22

=

=L

hf

que para L=500 m hf = 1.87 m, valor ligeramente inferior al calculado con el diagramade Moody

.Ejemplo 2.5

Comparar los resultados de la perdida de carga en un tubo soldado de 500 m delongitud, para una velocidad media constante de 4 m/s y dimetros de 500 mm,800mm, 1200 mm. y 1500 mm., utilizando la ecuacin de Colebrook y la formulade Manning.

D (mm) 500 800 1200 1500

Q (m3 /s) 0,785 2,011 4,524 7,069V (m/s) 4 4 4 4L (m) 500 500 500 500

Aplicando la ecuacin Colebrook-White e= 0,6 mm.hf (m) 17,23 9,53 5,72 4,35

Aplicando la formula de Manning n = 0,012hf (m) 18,42 9,85 5,73 4,26

Se observa que para dimetros pequeos, la ecuacin de Manning da valores de prdida decarga algo ms elevados que la de Colebrook. De hecho, ambas formulas dan resultados

23


34/174


coincidentes para valores de e/D=9,17E-3 y para valores de e/D entre 9E-4 y 5E-2, en plenazona turbulenta los resultados varan en menos de un 5%.

En los EE.UU. para tuberas de ms de 5 cm. de dimetro y velocidades inferiores a 3 m/s seutiliza la formula de Hazen-Williams, cuya expresin es:

85,1

165,187,6

=

CV

DLhf (2.15)

en la que V es la velocidad en m/s, D el dimetro y L la longitud de la tubera en m, y C elcoeficiente de Hazen-Williams, cuyo valor correspondiente a varios materiales muestra la tabla2.3 La ecuacin permite calcular directamente la prdida de carga, con la ayuda de una simplecalculadora.

Tabla 2.3 Coeficiente Hazen Williams

Tipo de tubera C

UralitaHierro fundido:nuevo10 aos20 aos30 aos40 aos

Hormigncon encofrado de acerocon encofrado de maderacentrifugado

Acerorevestido de alquitrnnuevo sin revestirroblonado

Madera en dovelasPlstico

140

130107 113

89 10075 9064 83

140120135

150150110120

130-140

2.2.2 Prdida de carga por turbulencia

Un flujo, circulando en rgimen turbulento por un sistema de tuberas, con sus entradas,codos, vlvulas y dems accesorios, experimenta, adems de las prdidas por friccin,unas prdidas por disipacin de la viscosidad que es necesario analizar. Debido a lacomplejidad de la configuracin del flujo, hay muy poca teora disponible, por lo que,en general, las prdidas se calculan a partir de un coeficiente K adimensional, obtenidoexperimentalmente como cociente de la prdida de carga hfy la altura cintica V

2/2g.

2.2.2.1 Prdidas en las rejillas de limpieza

A la entrada de la toma de agua y en la cmara de carga, a la entrada de la tuberaforzada, suele instalarse una rejilla para impedir el paso de la broza. El agua al atravesarla rejilla, genera una turbulencia que se traduce en una prdida de carga. Aunque

24


35/174


generalmente pequea, esta prdida de carga se calcula por la ecuacin de Kirchner(2.16), cuyos parmetros viene definidos en la figura 2.4

= seno

g

V

b

tKh

tf

2

20

34

(2.16)

Si la reja no es perpendicular al flujo de la corriente, sino que forma con ella un ngulo( el valor mximo de sera de 90, cuando la reja est situada en la pared de un canal)

Monsonyi propone multiplicar el resultado de la formula (2.16) por el factor decorreccin que aparece, en funcin de y t/b en la tabla 2.4.

Tabla 2.4Perdida de carga adicional cuando el flujo no es perpendicular a la misma

t/b

1.0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

0 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,0010 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,14 1,5020 1,14 1,16 1,18 1,21 1,24 1,26 1,31 1,43 2,2530 1,25 1.28 1,31 1,35 1,44 1,50 1,64 1,90 3,6040 1,43 1,48 1,55 1,64 1,75 1,88 2,10 2,56 5,7050 1,75 1,85 1,96 2,10 2,30, 2,60, 3,00 3,8060 2,25 2,41 2,62 2,90 3,26 3,74 4,40 6,05

25


36/174


2.2.2.2 Prdida por contraccin o expansin de la venaUna sbita contraccin de la vena liquida genera una prdida de carga, debida alaumento de velocidad y a la prdida de energa consustancial a la turbulencia. Elmodelo de flujo es tan complejo que, al menos por el momento, es imposible elaborar

un anlisis matemtico del fenmeno. La prdida de carga adicional hc se calcula, enfuncin de la velocidad V1 en el tramo de menor dimetro d, por la ecuacin.

=

g

VKh ec 2

2 (2.17)

en la que el coeficiente Kc, funcin de d/D, es experimental y, hasta un valord/D = 0,76 viene dado, aproximadamente, por la formula:

=

2

2

142,0D

dh

c (2.18)

A partir de dicha relacin, se comprueba que Kc tiene los mismos valores que el K excorrespondiente al caso de la expansin sbita.

En el caso de expansin sbita, la perdida de carga viene dada por la expresin:

g

V

D

d

G

V

A

A

g

V

V

V

g

VVhex 2

12

12

12

)( 212

221

2

2

12

1

2

1

22

22

1

=

=

=

= (2.19)

En la que V1 es la velocidad del agua en el tubo de menor dimetro.

La figura 2.5 es una representacin grfica del valor de los coeficientes K ex y Kc, que seajustan muy bien a los datos obtenidos experimentalmente.. Si la contraccin o elensanchamiento son graduales las prdidas se reducen substancialmente.

26


37/174


En el caso de contraccin gradual la prdida es muy pequea como muestran lossiguientes valores experimentales:

ngulo de contraccin Kc

30 0,0245 0,0460 0,07

En el caso del difusor, el anlisis es ms complejo. La figura 2.6 es una representacingrfica de K'ex en funcin del ngulo del difusor. La prdida de carga viene dada porla ecuacin:

gVVKh exex 2

2

2

2

1'' = (2.20)

Un tubo sumergido descargando en un deposito es un caso extremo de expansin sbita,en el que, dado el tamao del deposito la velocidad V2 es nula y la perdida de carga serV1

2/2g.

Por el contrario la entrada desde un depsito por ejemplo la cmara de carga a untubo es un caso extremo de contraccin de vena. Para una entrada a escuadra, en la queel tubo est a pao con la pared, como muestra la figura 2.7 (b), se puede tomar comovalor para Kc el correspondiente al ratio d/D = 0 y la prdida de carga, la obtenidaaplicando la ecuacin (2.17). Los valores aproximados del coeficiente Ke en lasdiferentes configuraciones de conexin del tubo al deposito, son los indicados en lafigura 2.7 (a), (b), (c) y (d).

27


38/174


2.2.2.3 Prdida por curvatura de vena

Cuando un fluido recorre un codo como el de la figura 2.8, se produce un aumento depresin en la pared externa y una disminucin en la interna. Pasado el tramo curvo, y auna cierta distancia del mismo, la situacin vuelve a su estado original, para lo que esnecesario que aumente la presin en la cara interior y retorne as la velocidad a su valororiginal. Como consecuencia de esta situacin, el chorro de agua se separar de la paredinterior. Al mismo tiempo, la diferencia de presiones en una misma seccin del tubo,provocar una circulacin del tipo de la sealada en la figura. La combinacin de estacirculacin y de la axial del flujo, dar lugar a un movimiento espiral que persiste, hastadisiparse por friccin viscosa, aproximadamente a una longitud equivalente a 100dimetros aguas abajo del final de la curvatura.

En un codo de 90, la prdida de carga adicional a la prdida por friccin en el tramo detubo equivalente, viene dado por la ecuacin (2.17), en la que el coeficiente Kc essubstituido por el Kb obtenido de la figura 2.8 (tomada de la referencia 3). Dada la

28


39/174


circulacin perifrica mostrada en la figura la rugosidad del tubo adquiere ciertaimportancia y debe reflejarse en el anlisis, lo que se indica en la figura cuando seconsideran diferentes rugosidades e/d.. Como se ve en la figura el valor del coeficienteKb vara con la relacin r/d. Para codos con ngulos menores de 90, se admite que laprdida adicional, en tubos de acero estirado, es casi proporcional al ngulo del codo.

Como la perturbacin se extiende ms all del final del codo, la prdida de carga debidaa la presencia de una serie de codos muy cercanos entre si, no puede calcularsemediante una simple suma aritmtica. El anlisis detallado de este caso esextremadamente complejo y exige un estudio caso por caso, sin posibilidad degeneralizacin. Afortunadamente en un pequeo aprovechamiento hidroelctrico esraro encontrarse con esta situacin, ms propia de una central de bombeo.

2.2.2.4 Prdida a travs de las vlvulas

Las vlvulas se emplean, en general, para aislar determinados tramos a fin de poderintervenir en operaciones de mantenimiento o reparaciones importantes, aunque enalgunos casos, como el de las centrales intercaladas en una trada de aguas, existenvlvulas cuya misin fundamental es disipar energa. Normalmente, salvo en los casoscitados, las vlvulas estarn siempre completamente abiertas o completamente cerradas,dejando la regulacin del caudal a las toberas o a los alabes distribuidores del sistema deregulacin de la turbina. La prdida de carga generada al paso del agua por una vlvulacompletamente abierta, depende del modelo de vlvula y se calcula multiplicando laenerga cintica en el tubo V2/2g por el coeficiente Kv, dado en la figura 2.9.

2.2.3 Regmenes transitorios

Cuando se produce un cambio brusco de rgimen en una tubera - debido por ejemplo alcierre rpido de una vlvula - la fuerza generada por el cambio de velocidad de la masade agua implicada en el fenmeno puede producir un incremento de presin en el tuboque aunque transitorio, es de un orden de magnitud muy superior al de la presinhidrosttica. A esta onda de presin se la conoce por el nombre de golpe de ariete y susefectos pueden ser catastrficos: la tubera puede estallar por sobrepresin o aplastarsepor vaco relativo.

29


40/174


De acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton, la fuerza generada por elcambio de velocidad, en un tubo de paredes rgidas y suponiendo el agua incompresible,vendr dada por la ecuacin

dt

dVmF = (2.21)

Si la velocidad de la columna de agua se redujese a cero la fuerza generada serainfinita. Afortunadamente esto no puede suceder en la prctica, porque cualquiervlvula mecnica requiere un tiempo finito para su cierre, las paredes de la tubera noson rgidas y la columna de agua, sometida a grandes presiones, no es incompresible.

Para explicar fsicamente el fenmeno, recurriremos a la exposicin que hace AllenInversing en el Apndice F de su "Micro-Hydropower Sourcebook". Inicialmente, comomuestra la figura 2.10 (a), el agua fluye hacia la vlvula a la velocidad .V 0. Cuando secierra la vlvula, el agua tiene tendencia a seguir fluyendo por inercia, pero como nopuede atravesar la vlvula, se .apila. detrs de la misma; la energa cintica de la masade agua ms prxima a la vlvula se convierte en energa de presin, comprimiendoligeramente el agua y tensando las paredes del tubo en ese punto (b). Este mecanismo serepite a lo largo de la masa de agua (c) y el frente de la onda de presin se desplazahacia la cmara de carga, hasta que la velocidad .V0 se anula, la totalidad del agua secomprime y todo el tubo est sometido a esfuerzo (d). La energa cintica del aguacontenida en el tubo se transforma en comprimir el agua y en poner en tensin del tubo.

Como el agua en la cmara de presin mantiene la presin hidrosttica inicial y lapresin en el tubo es mucho ms alta, la corriente de agua se invierte, fluyendo ahorahacia la cmara con velocidad .V0 (e). Al invertirse la corriente, descarga la presin enel tubo y el frente de descompresin avanza hacia la vlvula, hasta que todas las fuerzas

de presin vuelven a transformarse en energa cintica (g). A diferencia del caso (a), lacorriente fluye en direccin inversa, y por inercia tiene tendencia a conservar lavelocidad .V0. Como consecuencia, la masa de agua cerca de la vlvula se .estira.,reduciendo la presin y contrayendo el tubo (h).

Lo mismo ocurre con las restantes partculas del agua, con lo que aparece una onda depresin negativa cuyo frente se desplaza hacia la cmara (i) hasta que todo el tubo estsometido a compresin y la presin del agua en su interior es baja (j). Si no existiesenfenmenos de friccin, la magnitud de esta onda sera idntica aunque de distinto signoque la inicial. La velocidad .V0 se anula y, siendo la presin en el interior del tuboinferior a la de la cmara, la corriente vuelve a invertirse (k). La onda de presin se

desplaza ahora hacia la vlvula (l) hasta completar el ciclo y comenzar el siguiente. Laonda se desplaza a la velocidad del sonido en el medio (agua dentro de la tubera), quees la velocidad del sonido en el agua, modificada por la elasticidad de las paredes deltubo. Obsrvese la diferencia de magnitud entre la velocidad del agua (3-5 m/s) y la dela onda de presin (alrededor de 1400 m/s).

Aunque en la realidad la tubera est inclinada, eso no afecta al fenmeno que acaba deescribirse y que se produce de la misma forma. Los fenmenos de friccin disipangradualmente la energa cintica y la amplitud de oscilacin disminuye con el tiempo.El tiempo necesario para que la onda de presin se desplace a lo largo de toda la tuberaser obviamente

cLTc = (2.22)

30


41/174


y el empleado por la onda de presin en alcanzar la vlvula en su recorrido de ida yvuelta, que se denomina tiempo critico:

cLTc

2= (2.23)

La velocidad c en m/s, se demuestra que es funcin de las elasticidades del agua y delmaterial de la tubera y su valor viene dado por la ecuacin:

31


42/174


Et

kD

k

c

+

=

1

(2.24)

en la que:t = espesor de pared (mm.)K = modulo de elasticidad del agua 2,1x109 N/m2

D = dimetro interno de la tubera (mm.)E = modulo de elasticidad del material de la tubera (N/m2)

Si el frente de la onda de presin, en su camino de retorno llega a la vlvula cuando estaya est completamente cerrada, toda la energa cintica del agua contenida en el tubo seconvertir en una sobrepresin P, en metros de columna de agua, siendo v el cambioen la velocidad del agua:

Vg

c

g

P=

(2.25)

Si por el contrario, la vlvula est aun parcialmente abierta, solo una parte de la energacintica se convertir en sobrepresin. Empricamente se demuestra que cuando eltiempo de cierre es diez veces mayor que el valor crtico T, el fenmeno puedeignorarse, porqu las sobrepresiones sern mnimas. Para tiempos de cierre superiores alcrtico pero inferiores a diez veces el crtico, la sobrepresin, no alcanzar el valor Pdado por la ecuacin (2.25), pero puede calcularse por la formula de Allievi,.

en la que P0 es la presin esttica del salto (altura de salto neto) y

en donde V0 = velocidad del agua en m/s, L= longitud total de la tubera en m, P0=presin esttica neta en metros de columna de agua y t= tiempo de cierre en segundos.La presin total en la tubera es P = P0 + P

En el captulo 5, dedicado a Obra Civil, en el subtitulo relacionado con el diseo detuberas forzadas, se exponen algunos ejemplos que facilitan la comprensin delfenmeno desde el punto de vista del diseo. La metodologa de Allievi, ha sido yasuperada, entre otros, por Pogi y por Pezolli.

Para un enfoque ms riguroso habra que tener en cuenta, no solo la elasticidad delmaterial y del agua, como se ha hecho ms arriba, sino tambin las prdidas de carga

hidrulicas en el propio golpe de ariete y el tiempo real de cierre. Con independencia delos mltiples programas de ordenador destinados al diseo de sistemas de tubera

32


43/174


sometidos a impulsos transitorios, cabe destacar para aquello lectores interesados, unreciente trabajo de Ramos y Almeida - un modelo de orificio dinmico, que permitecontrolar el golpe de ariete producido, no solo por el cierre rpido de una vlvula, sinotambin por el embalamiento y por el accionamiento de los alabes directores, de unaturbina de reaccin. y la Red Temtica Surge-net , financiada por la Comisin

Europea, foro en el que participan 20 instituciones europeas, para el estudio de losfenmenos transitorios en tuberas,

2.3 Circulacin del agua en canales abiertos

Por oposicin a los conductos cerrados, en los que el agua llena el conducto, en un canalabierto siempre existe una superficie libre. En general en un canal la superficie libre delagua est a la presin atmosfrica, normalmente considerada como referencia de presincero. Esto por una parte facilita el anlisis, al eliminar el termino de presin, pero porotra lo complica ya que, a priori, la forma de la superficie es desconocida Laprofundidad cambia al cambiar las condiciones y, en el caso de flujos no estacionarios,su clculo forma parte del problema. Un canal abierto siempre tiene dos paredeslaterales y una solera, en las que el flujo satisface la condicin de no deslizamiento. Unprincipio bien establecido de la mecnica de fluidos es el que dice que una partcula defluido en contacto con una frontera slida estacionaria no tiene velocidad. La viscosidaddel fluido el gran problema para el estudio matemtico del movimiento de los fluidosreales - viene confinada a una dbil capa de fluidos en la inmediata vecindad de lasuperficie frontera. Fuera de esta "capa limite" el fluido se comportar como si notuviera viscosidad. Este es el fundamento de la teora de la capa limite con el que seresuelven matemticamente casos particulares del movimiento de fluidos. El espesor deesa capa limite depende, entre otros factores, de la velocidad, densidad y viscosidad

dinmica del fluido.

Como consecuencia cualquier canal, incluso uno recto, tiene una distribucin

tridimensional de velocidades. La figura 2.11 muestra las lneas de igual velocidad endistintas secciones de un canal. El enfoque matemtico se apoya en la teora de la capalimite; el del ingeniero se basa en la velocidad media V.

33


44/174


2.3.1 Clasificacin de los tipos de circulacin en canales abiertos.

Si se toma el tiempo como criterio de clasificacin de regmenes, un flujo se clasificarcomo permanente, cuando en una seccin dada el tirante no vara con el tiempo, ocomo inestable cuando vara, bien porque cambian la pendiente o la seccin o porque

hay un obstculo en el canal.

Si lo que se toma como criterio es e

Guia Para Central Hidroelectrica

Documents

Transcript of Guia Para Central Hidroelectrica