4To Ing. Civil
Universidad Católica de Azogues. DISEÑO HIDRAULICO DAVID C ING. CORNELIO CAJAS JULIO 2014
CONTENIDO
CAPTACION CON REJILLA LATERAL
CONDUCCION
DESARENADOR
TANQUE DE PRESIONES
COMPROBACIÓN A CRECIDAS
TUBERÍA DE PRESION
CASA DE MAQUINAS
CONTENIDO
CAPTACION CON REJILLA LATERAL
CONDUCCION
DESARENADOR
TANQUE DE PRESIONES
COMPROBACIÓN A CRECIDAS
TUBERÍA DE PRESION
CASA DE MAQUINAS
INTRODUCCIÓN
Una captación lateral es conveniente cuando la fuente de aprovechamiento posee caudal relativamente grande. En cuanto a la selección del sitio de la obra, se pude recomendar que la estructura quede a una altura conveniente sobre el fondo, ubicada al final de las curvas y en la orilla exterior y en lugares protegidos de la erosión o socavación. Para asegurar un nivel mínimo de las aguas, se debe proyectar un muro normal o inclinado con respecto a la dirección de la corriente, además de muros laterales para proteger y acondicionar la entrada del agua al conducto y para colocar los dispositivos necesarios para regular el flujo o impedir la entrada de materiales indeseables. Para un buen diseño, es indispensable estudiar el comportamiento hidrológico de la corriente, específicamente es necesario determinar los gastos máximos, los gastos mínimos y la curva de duración de caudales naturales. Los aspectos metodológicos para la obtención de las variables anteriores fueron cubiertos en el curso de hidrológica y por esta razón solo se mencionan en los presentes apuntes. En general, la información hidrológica que se refiere a los gastos máximos permitirá asegurar una debida protección de la estructura contra las avenidas, la información de gastos mínimos garantizara la selección de un caudal a captar adecuado a los niveles mínimos de la corriente, y en el caso de corrientes naturales con alta demanda de agua, la curva de duración de caudales provee la información acerca de las limitaciones y alcances de la corriente para suministrar los gastos deseados.
OBJETIVOS GENERALES Con el diseño de la presente captación y sus diferentes componentes se pretende analizar cada uno de los datos que permitan el correcto funcionamiento de dicha estructura; al tomar valores arbitrarios en cuanto compete a estudios previos como un estudio hidrológico, se ha tomado estos con absoluto criterio. Con el uso de las centrales hidroeléctricas el principal objetivo de una central eléctrica es aprovechar el agua almacenada y convertirla primero en energía mecánica y luego en energía eléctrica y poder abastecer de la misma a las poblaciones. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, cimentación del terreno e incluso fomentación de turismo.
ANTECEDENTES Esta energía proviene de la energía mecánica, principalmente potencial, que posee el agua. Por este motivo el emplazamiento de estas centrales sería en las zonas cordilleranas y pre cordilleranas de nuestro país, ya que en estos lugares es dónde podemos encontrar el mayor diferencial de energía potencial en los cauces de ríos. Las pequeñas centrales hidroeléctricas según la definición de la Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo se pueden clasificar de la siguiente forma:
Nano o Pico centrales: Corresponden a centrales cuya potencia de generación es inferior a 1kW. Son fundamentalmente usadas para suministro familiar y aplicaciones mecánicas. Micro centrales: Corresponden a las centrales cuya potencia de generación está entre 1kW y 100kW. Su uso principal en el mundo ha sido abastecer redes eléctricas comunales en sectores aislados. Mini Centrales: Son las que poseen una capacidad de generación entre los 100kW y los 1.000kW. Estas se han usado en el mundo para abastecer varias comunidades cercanas como también para la conexión a la red de energía nacional. Pequeñas Centrales: Son aquellas cuya potencia instalada se encuentra en el rango de 1MW a 5MW. Se han usado para alimentar pequeñas ciudades y sectores aledaños y también para conectarlas a la red eléctrica nacional.
La energía proveniente de pequeñas centrales hidroeléctricas es la que competitivamente presenta mayores ventajas con respecto a otras fuentes de energía renovable, ya que son las que presentan mayor desarrollo tecnológico. Esto debido a que este tipo de energía se ha venido usando hace ya muchos años, como también porque este tipo de centrales presenta factores de planta por lo general superiores a 50% y costos de inversión de alrededor de US$ 2 millones por MW instalado.
DATOS PARA EL DISEÑO Diseño de una captación convencional con rejilla lateral, derripeador, transición, y conducción, para los siguientes datos:
Caudal de diseño Caudal de crecida Altura del antepecho de ventana Altura del antepecho interior Altura de la carga de agua Perdida de carga atraves de la ventana Caudal medio del río Ancho del rio en la zona de captacion Pediente del río Cota de inicio de conducción Cota de llegada de conducción Longitud de conducción Coeficiente de Rugosidad Pendiente de la conducción
Qd= 1.5 m3/s Qc= 40 m3/s P1= 0.8 m P2= 0.8 m H= 0.6 m z= 0.06 m Qm= 10 m3/s b= 15 m J= 0.01 cota= 2806 m cota= 2740 m L= 3.6 Km n= 0.025 i= 0.018
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO CALCULO DE LA REJILLA Partimos de la fórmula del caudal
Calculamos el coeficiente de sumersión y
* * ** * *
A continuación se realizan iteraciones para el cálculo de las pérdidas a través de la rejilla lateral
Iteración 1
Ancho efectivo
⁄ * * Número de barrotes
Ancho total de la rejilla
Velocidad
Perdidas
Iteración 2
Ancho efectivo
Número de barrotes
⁄
Ancho total de la rejilla
Velocidad
Perdidas
*
Iteración 3
Ancho efectivo
Número de barrotes
⁄
Ancho total de la rejilla
Velocidad
Perdidas
*
CÁLCULO DEL DERRIPEADOR
Aplicamos Bernoulli entre el punto 1 y el punto 2 y tenemos:
Además tenemos que
Remplazando esta ecuación en la
Al haber calculado
tenemos:
podemos proceder a obtener
Se necesita comprobar que el vertedero sea sumergido, para ello
Por lo tanto se considera que existe resalto hidráulico y es un vertedero sumergido
Longitud del resalto
Longitud del derripeador
Condición
La condición se cumple y por lo tanto puede darse el resalto.
COMPUERTA DE LAVADO La pendiente del rio debe ser mayor a la pendiente del canal para poder realizar el trabajo de limpieza.
(()) Por lo tanto se necesitan de los siguientes datos:
Remplazando valores obtenidos y con un b impuesto en la fórmula del caudal tenemos:
Con este dato igualamos en la siguiente ecuación:
Por lo tanto tenemos que
y se cumple la condición.
Tiempo de limpieza
CÁLCULO DE LA TRANSICIÓN Se tienen los siguientes datos: Longitud de conducción Coeficiente de Rugosidad Ancho de entrada de la transición Ancho de salida de la transición(impuesto
()
L= 3.6 Km n= 0.014 bv= 3.40 m bc= 1.2m
Longitud de la transición
Radio de curvatura
Utilizando las cotas proporcionadas se procede al cálculo de la pendiente de la conducción, la cual es necesaria para poder seguir con el cálculo de la transición.
Al tener la pendiente calculada podemos utilizarla en la siguiente formula y así obtener el calado aguas abajo.
Perdidas en la transición
Tenemos debido a la forma general de la curva Partimos de que:
Cálculo aguas abajo
Cálculo aguas arriba
Como no se conoce el calado aguas arriba se procede a calcularlo de la siguiente manera:
En donde según la condición de sumersión tenemos:
En donde tenemos que:
Entonces:
Ahora ya se puede calcular
y
Ahora ya se tienen los datos suficientes para poder calcular h
Finalmente podemos calcular las perdidas en la transición.
Ecuación de la curva en la transición
Tramo de 0 a L/2
x
b
0
3.39
0.496
3.35
0.92
3.23
1.488
3.01
1.934
2.7
2.48
2.29
Tramo de L/2 a L
x
b
2.48
2.29
2.976
1.891
3.472
1.583
3.968
1.369
4.464
1.242
4.96
1.2
Distribución de pérdidas
Tramo de 0 a L/2
Tramo de L/2 a L
x 0 0.496 0.92 1.488 1.934 2.48 2.976 3.472 3.968 4.464 4.96
zx 0 0.0134 0.0536 0.1207 0.2147 0.335 0.4562 0.5502 0.6173 0.6575 0.671
h 0 0.01218182 0.04872727 0.10972727 0.19518182 0.30454545 0.41472727 0.50018182 0.56118182 0.59772727 0.61
Vi^2/2g 0.024 0.036 0.012 0.133 0.219 0.328 0.438 0.524 0.585 0.621 0.634
Vi 0.68585713 0.84 1.19 1.61455876 2.0718108 2.53550784 2.92998294 3.20474648 3.38614825 3.48878202 3.52510993
A 2.18704441 1.78571429 1.2605042 0.9290464 0.72400433 0.59159746 0.51194837 0.46805574 0.44298119 0.42994948 0.42551865
Cota y 0.64324836 0.52521008 0.37073653 0.27324894 0.21294245 0.17399925 0.15057305 0.13766345 0.13028859 0.12645573 0.12515254
DISEÑO DE LA CONDUCCIÓN En principio se pretendía realizar una conducción tipo Baúl, pero debido a las condiciones que se presentan en este diseño, este tipo de conducción no es la adecuada, siendo que las dimensiones mínimas sobredimensionan la estructura. Tomando en cuenta estos datos se procede a realizar una conducción tipo circular con los siguientes datos: Q= 1.5 m3/s i= 0.01833 n= 0.014 y/D= 80%
Con una tubería funcionando al 80% y revisando en la tabla obtenemos los siguientes datos:
0.7764 m
Comprobación del flujo
Como Fr > 1, se tiene un flujo supercrítico en la conducción.
COMPROBACIÓN A CRECIDAS
Caudal de diseño para la comprobación a crecidas:
Procedemos a calcular el calado y
Cálculo de HCT
Datos necesarios: Cc= 0.63 a= 0.354 b2= 1.2 m Cv= 0.6
Tenemos la fórmula siguiente:
Iteración 1
Rigiéndose al criterio para Cc tenemos que:
Este resultado se encuentra entre
Entonces tenemos que:
Velocidad
Iteración 2
Cálculo de HD
Aplico Bernoulli entre en punto 1 y el punto 2 tenemos:
Para calcular las perdidas aplicamos:
Entonces remplazando en la ecuación de Bernoulli tenemos:
Ahora tenemos que:
*
Remplazando tenemos:
* √ *
Ahora tenemos que:
Cálculo de HT
* Se empieza aplicando Bernoulli entre el punto 2 y el punto 3
Pero tenemos que
** * * * * * * Luego calculamos
Iteración 1
Por lo tanto:
Iteración 2
Por lo tanto:
CÁLCULO DEL CAUDAL SOBRE EL AZUD
* * ** Se tiene que el caudal del azud es igual a
Comprobación
Se realiza un vertedero de excesos La estructura esta sobredimensionada
Realizando la comprobación tenemos:
Por lo tanto se encuentra sobredimensionado.
DISEÑO DEL DESARENADOR Clasificación del material: El material se clasificó como arena muy fina de 0.04 mm de diámetro.
D = 0.004 cm Ps = 2.7 gr/ P = 1 gr/ N=1
% Remoción = 80% = 0.01172
H = 2.5 m
Velocidad de sedimentación:
Tiempo que tarda una partícula en sedimentar:
Periodo de retención:
Ahora volumen:
Ahora determinamos dimensiones del tanque:
Carga hidráulica:
Determinación del diámetro:
Determinación de la velocidad horizontal:
DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA PARA EL APROVECHAMIENTO DEL CAUDAL CAPTADO Se consta de los siguientes datos: Caudal Cota de la captación= Cota del tanque de presiones= Cota del cuarto de máquinas= Distancia horizontal= Longitud de la conduccion=
Q= 1.5 m3/s cota= 2806 m cota= 3600 m cota= 2740 m D= 2665 m L= 40 m
Conducción circular hasta el tanque de presiones Como ya hemos determinado la conducción hasta el tanque de presiones se pueden tomar los siguientes valores como válidos.
Obteniendo además los siguientes datos:
Volumen del tanque de presiones
Tiempo extra de funcionamiento
CÁLCULO DE LA REJILLA DEL TANQUE DE PRESIONES Se tienen los siguientes datos: t= A= s= B=
0.10 m 70° 0.04 m 1.83
* *
Limpieza mecánica Turbina tipo Pelton Platina circular
Perdidas en la rejilla
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA DE PRESIÓN
Debido a que la altura de salto de agua no supera los 100m se utiliza la siguiente formulación:
Perdidas en la tubería de presión
CÁLCULO DE LA POTENCIA
ENERGÍA
Con la producción de esta energía, y refiriéndose a la clasificación referida en los antecedentes del proyecto, la presente central hidroeléctrica se encuentra entre las micro-centrales hidroeléctricas, ya que su producción eléctrica consta entre su rango, abasteciendo a comunidades cercanas e incluso a la red central eléctrica.
