TUBERIA FORZADA Una tubería forzada es la tubería que lleva el agua a presión desde el canal o el embalse hasta la entrada de la turbina. Se utiliza tuberías forzadas cuando el declive es mayor al 5%, si no se usan canales. En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión, tienen por objeto conducir el agua desde un nivel superior a uno inferior, para transformar la energía potencial en energía mecánica Características de las TuberíasForzadas Impermeabilidad. Resistencia de corrosión delagua. Resistencia a sobrepresionespor golpe de ariete. Facilidad de unión .
Tipos de tuberías Uralita Hormigón armado Hormigón pre comprimido Metálicas
Uralita Se emplea en saltos de poca potencia, con muybuenos resultados, y son muy buenosresultados, y son muy recomendables por subajo costo. Generalmente son enterradas enzanjas Hormigón armado Estas tuberías se utilizanen caos de gran caudal yalturas de salto de hasta50 metros . Cuando por lascircunstancias del costode adquisición ytransporte de la tubería ,resulta mas económica lade hormigón .
Generalmente estastuberías son enterradas osemienterradas pero casinunca al aire Hormigón pre comprimido Estas constituidas por tubos de hormigónarmado con una ligeraarmadura longitudinal dehierro, cuyo objeto esobtener una estructuraresistente a los esfuerzo longitudinales .este tipo detuberías puede ser utilizados en saltos dehasta 500 metros.Generalmente , estastuberías van por lo generalenterradas.
Metálicas o de presión Las tuberías metálicasson muy empleadas ,pues pueden adaptarsefácilmente a las masaltas presiones sonmas utilizadas lastuberías de palastro deacero que las de hierroya que las primerastienen mayor resistencias y resultamas económica.
Accesorios de las tuberíasforzadas Apoyo Anclajes Junta de dilatación Acoplamiento
MATERIALES EMPLEADOS EN LA TUBERIA FORZADA Tuberías de policloruro de vinilo (PVC) Tuberías de polietileno (PE) Tuberías de fibrocemento Tuberías de fundición Tuberías de aluminio Tuberías de acero
Tuberías de hormigón
PERDIDAS DE CARGA La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de presión en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc. Pérdida de carga en conducto rectilíneo[editar] Si el flujo es uniforme, es decir que la sección es constante, y por lo tanto la velocidad también es constante, el principio de Bernoulli, entre dos puntos puede escribirse de la siguiente forma:
donde: = aceleración de la gravedad; = altura geométrica en la dirección de la gravedad en la sección = presión a lo largo de la línea de corriente; = densidad del fluido; = velocidad del fluido;
ó ;
= perdida de carga; La pérdida de carga se puede expresar como ; siendo la distancia entre las secciones 1 y 2; y, la variación en la presión manométrica por unidad de longitud o pendiente piezométrica, valor que se determina empíricamente para los diversos tipos de material, y es función del radio hidráulico, de la rugosidad de las paredes de la tubería, de la velocidad media del fluido y de su viscosidad. Expresiones prácticas para el cálculo[editar] Existen diversos métodos, obtenidas empíricamente, para calcular la pérdida de carga a lo largo de tuberías y canales abiertos:
Ecuación de Darcy-Weisbach.
Factor de fricción de Darcy.
Ecuación de Colebrook-White.
Fórmula de Hazen-Williams.
Diagrama de Moody.
Fórmula de Bazin. Para tubos llenos, donde
Los valores de
, la fórmula de Bazin se transforma en:
son:
0,16 para tubos de acero sin soldadura 0,20 para tubos de cemento 0,23 para tubos de hierro fundido Simplificando la expresión anterior para tubos de hierro fundido:
La fórmula de Kutter, de la misma forma se puede simplificar: Con m = 0,175; Con m = 0,275; Con m = 0,375; Pérdidas de carga localizadas[editar] Las pérdidas de carga localizadas, debidas a elementos singulares, se expresan como una fracción o un múltiplo de la llamada "altura de velocidad" de la forma:
Donde: = pérdida de carga localizada; = velocidad media del agua, antes o después del punto singular, conforme el caso; = Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular
La siguiente tabla da algunos de los valores de K para diferentes tipos de punto singulares: Tipo de singularidad
K
Válvula de compuerta totalmente abierta
0,2
Válvula de compuerta mitad abierta
5,6
Curva de 90º
1,0
Curva de 45º
0,4
Válvula de pie
2,5
Emboque (entrada en una tubería)
0,5
Salida de una tubería
1,0
Ensanchamiento brusco
(1-(D1/D2)2)2
Reducción brusca de sección (Contracción)
0,5(1-(D1/D2)2)2
En ocasiones la constante de pérdida de la singularidad, K, se determina a partir del producto del coeficiente de fricción: fT, en flujo completamente turbulento por la relación de longitud equivalente: Le/D; dos factores adimensionales. El primero, fT, se determina por alguna de las ecuaciones del factor de fricción (Colebrook, Swamee y Jain, etc), simplificadas para flujo muy turbulento, es decir cuando el Reynolds del flujo es muy alto. El segundo, Le/D, corresponde a una relación adimensional propia del elemento o singularidad. Este valor se puede encontrar en diferentes tablas. La ecuación para la K, es:
CONDUCCION POR GASES El diámetro de una tubería para conducción de gas se escoge en función de la densidad del gas, la caída de presión admisible y la velocidad de circulación de gas. La presión del gas en el interior de una tubería por la que circula va disminuyendo por efecto de la fricción con las paredes. Para el cálculo de la pérdida de carga se emplean las llamadas fórmulas de Renouard que permiten hallar la caída de presión entre dos puntos en función de la densidad, el diámetro de la tubería, el caudal y la longitud. Para presiones medias (0,05 bar < P < 5 bar) la fórmula de Renouard correspondiente es:
Donde: es la densidad corregida del gas (propano dc = 1,16; butano dc = 1,44). es la longitud de un tramo recto de conducción en [m]. es el caudal en [m3/h]. es el diámetro interior en [mm]. Para bajas presiones (P < 0,05 bar) la expresión usada es:
GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas. El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería.
CALCULO DEL GOLPE DE ARIETE Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como , donde:
es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión,
es la velocidad media del fluido, en régimen,
es la aceleración de la gravedad.
A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:
donde:
es el módulo elástico del fluido,
es la densidad del fluido,
es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma, es el espesor de las paredes de la tubería, es el diámetro de la tubería.
Para el caso particular de tener agua como fluido: Esta expresión se llega a la fórmula de Allievi:
donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor: El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema. Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.
CONSECUENCIAS Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados.
DISPOSITIVOS PARA CONTROLAR EL GOLPE DE ARIETE Para evitar este efecto, existen diversos sistemas:
El golpe de ariete se debe a que el fluido está en movimiento, por lo que será más violento cuanto mayor sea la velocidad del fluido en la conducción; de ahí que siempre es conveniente que éstas sean de diámetro adecuado para que las velocidades sean pequeñas.
Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre.
Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico.
Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales (estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete) .
1.
función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos;
2.
función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire;
3.
función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.
Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.
TURBINAS Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.
TIPOS DE TURBINAS Por ser turbomáquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbomáquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomáquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones:
De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción[editar]
Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete. Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete. Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior.
De acuerdo al diseño del rodete[editar]
Carta para seleccionar turbinas hidráulicas en función del caudal y el salto. Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los àlabes o cangilones, o de otras partes de la turbomáquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son:
Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales.(Turbina de reacción) Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas. Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños.(Turbina de acción) Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios. Turbina Ossberger / Banki / Michell: La turbina OSSBERGER es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial. Debido a su número específico de
revoluciones cuenta entre las turbinas de régimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una sección rectangular, y éste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro, primero desde fuera hacia dentro y, a continuación, después de haber pasado por el interior del rodete, desde dentro hacia fuera. Es una turbina hidráulica de impulso diseñada para saltos de desnivel medio.El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad. Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el de un rodete Pelton y dobla la velocidad específica.
