INTRODUCCION En los fenómenos transitorios en sistemas hidráulicos pueden causar serios problemas en los equipos y tuberías. El golpe de ariete es fundamentalmente el fenómeno transitorio de elevación de la presión provocado por el cierre rápido del mecanismo de control (válvula, inyector, distribuidor, etc.) de caudal en una tubería forzada. En el caso de una central hidroeléctrica además de la variación de presión interesa la variación de velocidad del grupo turbina y generador, especialmente cuando ocurre un rechazo total de carga. Un rechazo total de carga significa abrir el interruptor principal del generador, lo que separa el generador de la red, por lo que la potencia mecánica de la turbina resulta en un aumento de velocidad de la unidad. El regulador de velocidad en este caso debe cerrar el distribuidor controlando el aumento de velocidad en el nivel garantizado y de ajuste de protecciones, pero la velocidad de cierre debe estar limitada para evitar que el aumento de presión supere también el nivel garantizado. Se hace necesario optimizar el transitorio hidromecánico mediante una solución de compromiso entre la velocidad máxima del conjunto turbina generador y el nivel de sobrepresión del sistema de conducción. Existen dos elementos fundamentales en la práctica para la absorción de estas sobrepresiones, para grandes y pequeños transitorios que las provoquen. Estos elementos son la chimenea de equilibrio y la válvula de alivio. Una de las aplicaciones que ha exigido esta automatización es las chimeneas de equilibrio que es un pozo vertical o inclinado abierto o en contacto con el aire, que tiene la misión de reducir al máximo las consecuencias nocivas provocadas por los golpes de ariete, generalmente aplicadas en centrales hidroeléctricas y se sitúa al final de la tubería de presión, cercana a las turbinas con el fin de proteger las válvulas, turbinas y sistemas de tuberías para mejorar significativamente la eficiencia energética, empleando equipos e instrumentos de mayor precisión. Cuando los cambios de presión y velocidad se producen con gran rapidez, hay que contar con la compresibilidad del agua y con la elasticidad de la tubería, y resolver el sistema de ecuaciones diferenciales no lineal en derivadas parciales de tipo hiperbólico que gobierna el fenómeno hidráulico que tiene lugar. Generalmente se recurre al método de las características, que proporciona una solución numérica de las funciones caudal Q = Q(x,t) y altura piezométrica H = H(x,t), que describen el comportamiento del sistema, como respuesta a unas determinadas condiciones de contorno, en este caso el cierre de una válvula que controla la alimentación de caudal a la turbina.
MARCO TEORICO CHIMENNEA DE EQUILIBRIO La chimenea de equilibrio, al igual que el tanque de carga responde a variaciones en la demanda de energía, durante el arranque y la parada, por tal motivo debe disponer de un volumen para el arranque y un colchón de aire a presión atmosférica para amortiguar el golpe de ariete. Constructivamente la chimenea de equilibrio se ubica al final de PCH´s en derivación con conducciones por túnel o como amortiguador del golpe de ariete en tuberías a cielo abierto, tal como se indica en la figura
Una Chimenea de Equilibrio se instala cuando en el caso en que los parámetros hidráulicos de la PCH cumplen la siguiente condición:
Dónde: L: longitud de la tubería. HB: Caída bruta. Lh: Tiempo hidráulico. V: Velocidad del caudal en la tubería de presión.
Algunos valores de la celeridad de la onda de presión en el agua:
C
4,665
C 1,422
1
D 1 E x e
1
D 1 E x e
pies/seg
m/seg
Tiempo crítico de cierre:
tc =
2 L
C
T c = Tiempo que tarda una onda en ir y volver
Exceso de presión:
p
'
CV
en cierre instantáneo total de la válvula
La presión en la tubería oscilara dentro del intervalo: p p 0 p'
Donde la presión p 0, es igual a la presión en la válvula abierta (condición inicial para flujo en estado permanente)
p 63.6V
1
/
1 E x e
D
(lb/pulg2) P.S.I.
(V en pies/seg)
donde : V = velocidad de desplazamiento inicial.
Ó
p 9,150V /
1
1 E x e
D
lb/pie2
(V en pies/seg)
Cierre lento:
El tiempo de cierre de una válvula no es realmente igual a cero, sino a un cierto periodo finito t. La presión del golpe de ariete aumenta gradualmente con la velocidad de cierre de la válvula. Dependiendo de qué t sea menor o mayor a t c, se establece la diferencia entre el cierre rápido y el cierre lento.
Si t es menor que tc, la presión de la onda de choque alcanzara su máximo valor p’. Por lo tanto, el cierre rápido es equivalente al cierre instantáneo. Si t excede
a tc, no se desarrollara plenamente la presión máxima p’ debido a que las ondas negativas reflejadas que llegan a la válvula después del tiempo t c, la contrarrestaran. Para cierre lento de una válvula, la presión máxima de la onda se puede calcular por la expresión de Allieve:
2 N N p p 0 N 4 2 /
en donde:
LV N = p t 0
2
t = Tiempo de cierre de la válvula en seg.
2 L
P
Tcritico
en lb/pie2
P max
Tapertura
También:
P '
LV
t c
tc
C
t
t
Joukowsky (1898)
= sobre presión en cierre lento de una válvula tubería
rígida. El cálculo de la sobre presión depende del tiempo de cierre tc de l a válvula.
OSCILACIONES EN LA CHIMENEA DE EQUILIBRIO El caso más desfavorable de las oscilaciones es el que se da pal cerrarse bruscamente el paso de un gasto máximo en una chimenea recta sin estrangulamiento en el entronque con las galerías de presión, es la que se observa en la siguiente figura, donde se observan las oscilaciones del agua en la chimenea para diferentes radios de la misma. Con la forma de evitar esto se plantearon las siguientes soluciones: Dar a la chimenea de equilibrio una amplitud mayor para reducir la magnitud de oscilación. En este caso, tan solo sería necesario plantear una anchura mayor de la parte baja de la chimenea. Un aumento reducido de potencia (y caudal) elevando unos metros el nivel mínimo de explotación para aumentar la mínima cota de agua de la chimenea. Se limitara el funcionamiento de los grupos a partir de un cierto nivel de seguridad.
Sobre la solución anterior, reducir la dimensión de la estricción en el contacto de la galería de presión y de la chimenea de equilibro. Añadir una segunda chimenea de equilibrio que cuente con una cierta cámara de expansión a niveles inferiores que mejore el funcionamiento del conjunto.
Se llega a que cuanto más grande sea el radio de la c himenea menos amplitud de oscilaciones. El diámetro de estricción e la base debe de ser como mínimo un 5 % del radio del cuerpo de la chimenea. La altura mínima alcanza el agua en la chimenea nunca debe de ser inferiores a la cota de la galería de presión, porque si no, entraría aire en esta y podría haber problemas de cavitación. Para reducir la altura de la chimenea será útil disponer de un ensanchamiento en esta que funcione como una cámara de expansión. Es conveniente que la parte baja de la chimenea tenga un ensanchamiento que funcione con una cámara de alimentación. Así se reducirá el nivel mínimo de la chimenea sin tener que aumentar el radio de la misma.
BIBLIOGRAFIA
http://www.giteco.unican.es/pdf/publicaciones/IngenieriaCivil_138.pdf http://www2.uned.es/ribim/volumenes/Vol10N3Septiembre_2006/V10N3A02%20Bar io.pdf http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/15_ariete.pdf https://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/2013/06/centraleshidroelc3a9ctricas-041.pdf http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/3524/1/15T00567.pdf
