CENTRALES HIDROELECTRICAS.pdf

8/10/2019 CENTRALES HIDROELECTRICAS.pdf

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OBRAS CIVILES

Mg. Amancio R. Rojas Flores


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figura 1: componentes y elementos de una pequea centralhidroelctrica


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FUNCIN: Captar el agua necesaria para el funcionamiento de laPCH.

PARTES PRINCIPALES: Barraje, canal de demasas, muros de

encauzamiento, ventana de captacin

[1] MUROS DE ENCAUZAMIENTO[2] VENTANA DE CAPTACIN CON REJILLA

[3] BARRAJE[4] SOLERA (EMBOQUILLADO)[5] COMPUERTA DE REGULACIN[6] CANAL DE DEMASAS

[7] ALIVIADOR

Para su construccin se usan estructuras de cemento o una combinacinde cemento y madera

Cuando se trata de centrales muy pequeas, las comunidades utilizan piedra,barro y ramas, como en las bocatomas que se construyen para el riego


5/37FIGURA 3: BOCATOMA Y CANAL DE DEMASIAS


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Barraje: Es un dique (fijo o movible) transversal al ro. La funcines levantar el tirante de agua, especialmente en tiempo de estiaje y

lograr que ingrese el agua al canal de demasas por la ventana decaptacin

Muros de encauzamiento: Son muros de piedra o de concreto

que encauzan las aguas del ro, sirven como defensa de la riveradel ro y protegen la ventana de captacin.

Ventana de captacin: Llamado tambin bocal, permite el

ingreso del agua del ro al canal de demasas.

Canal de demasas: Constituye los primeros metros del canal deconduccin. Sus dimensiones son mayores que ste. Permiteconducir mayor cantidad de agua que la requerida en tiempos demximas avenidas, sin ocasionar desbordes. Est

provista de unvertedero lateral de demasas que elimina el excedente de agua.


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CANALES Y DESARENADOR


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FUNCIN: Conducir el agua desde la toma o bocatoma hasta la cmarade carga. La figura 5, muestra las partes de un canal.

FIGURA 5: PARTES DE UN CANAL


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1.1 Tipos de canales

Los canales estn determinados por las caractersticas geomtricas de suseccin y por el material de construccin. Los ms conocidos y usados sonlos rectangulares, trapezoidales, circulares y semicirculares. Por su materialde construccin tenemos entre los ms comunes a los de tierra, concreto,mampostera de piedra, madera y tubera de PVC

1.2 Seccin y ngulo del talud del canal

El flujo del agua en un canalhecho de un material suelto,como un suelo arenoso, har

que las paredes se

desmoronen hacia dentro, amenos que los lados estninclinados ligeramente y elancho del canal est

enrelacin a su profundidad.

Tabla.14 Talud recomendado paracanales de seccin trapezoidal


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a. Velocidad del agua (v)

Un flujo de agua excesivamente rpido erosionar

las paredes de un canal,mientras que velocidades demasiado bajas permitirn el depsito desedimento y su obstruccin. La tabla 15 proporciona las velocidadesrecomendadas para canales de diferentes materiales.

Tabla.15 Velocidad mxima recomendada


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b. Rugosidad (n)

Cuando el agua pasa por el canal, pierde energa en el proceso dedeslizase por las paredes y el fondo. Mientras ms rugoso es el materialdel canal, hay ms prdidas por friccin y mayor ser

pendiente o desnivelque se requerir

entre la entrada y la salida del canal. El diseo ideal deun canal se basa en los siguientes principios

La velocidad del agua debe ser lo bastante alta como para asegurar quelos slidos en suspensin no se asienten en el fondo del canal o ingresen ala tubera de presin

La velocidad del agua en el canal debe ser lo bastante baja como paraasegurar que no se erosionen sus paredes laterales. Si esto es imposible,sin entrar en conflicto con el punto anterior, se deber

considerar el uso deun revestimiento ms resistente

El desnivel en todo el canal debe ser reducido (lo que tambin implicavelocidad mnima del agua). La tabla 16 muestra los valores del coeficientede rugosidad para distintos materiales. Si se reviste un canal de tierra, la

rugosidad del material de revestimiento determinar

el grado de prdidapor friccin


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Tabla.16 Coeficientes de rugosidad


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Figura.22 Dimensiones de un canal y desnivel total


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Figura 23. Elementos de uncanal

C = corona del canal o caminoC

= sobreanchoT = espejo de aguab = solera o fondo de canal

y = tirante o profundidad del agua

t = borde libreH = altura total del canalm = ancho de plataforma del canal

= ngulo del a inclinacin de las

paredes con la horizontal


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1.3. Elementos de un canal

A continuacin presentamos una descripcin de los elementos

enumerados:

Camino o corona del canal (C): lugar por donde se desplaza la gente paraefectuar las faenas de limpieza del canal. Debe tener el ancho necesario detal forma que brinde seguridad para realizar las labores de limpieza (serecomienda 0.60 m)

Sobreancho (C): constituido por el espacio cercano al talud del canal,cumple la funcin de evitar que rocas y deslizamientos caigan directamenteal canal, especialmente en temporada de lluvias

Espejo de agua (T): longitud superficial del agua, llamado tambin basemayor del canal

Solera del canal (b): llamada tambin fondo o base del canal, es uno delos elementos importantes en el diseo de las dimensiones

Tirante de agua (y): altura del canal desde el fondo (b) hasta el espejo deagua (T). Al igual que la base o fondo, se constituye en otro elemento

importante para el diseo


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Borde libre: distancia vertical que hay entre el nivel normal del agua alextremo superior de la paredes del canal. Su objetivo es evitar que el canalrebose cuando ingrese mayor cantidad de agua que la proyectada, ya queello podra producir daos en la ladera del cerro sobre la que ha sidoconstruido. El borde libre es normalmente un tercio del tirante de agua o0.15 m, escogindose cifras mayores por seguridad

Altura del canal (H): est

dado por la suma del tirante (y) y el borde libre (t)

ngulo de inclinacin (): es el ngulo que las paredes del canal hacen conla horizontal, se presenta en los canales trapezoidales, es importante sealarque el ngulo de 60

representa para un canal trapezoidal la seccin demxima eficiencia hidrulica

Permetro mojado (P): longitud en que la seccin transversal moja el fondoy paredes del canal

P = P1 + P2 + P3


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Radio hidrulico (R = A/P): es una cantidad que describe la eficiencia

del canal. Si el canal tiene una gran rea de seccin transversal y unpermetro mojado relativamente pequeo, entonces con un borde librenormal esto implica que es eficiente y que el agua tendr

la velocidadrequerida con una prdida relevante pequea. El perfil ms eficiente esun semicrculo. La seccin trapezoidal es la mejor aproximacin

prctica a este

Figura.24 Vista del permetro de un canal


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1.4. Diseo de un canalEl diseo del canal consiste en determinar sus dimensiones hidrulicas ygeomtricas. Para ello nos apoyamos en la frmula de Maning, donde lavelocidad (V) est

en funcin del radio hidrulico (R), pendiente (S) yrugosidad (n) del material de construccin:

3/2

2/13/52/13/2

nP

SA

n

SARQ ==

n

SRV

2/13/2

=

Donde:V = velocidad (m/s)n = coeficiente de rugosidadR = radio hidrulico (A/P)A = rea de la seccin transversalP = permetro mojado (contacto del agua con el fondo y las paredes)S = pendiente del fondo del canal

Adicionalmente, es necesario conocer algunas tablas (ver tablas 17 y 18)que nos facilitarn el clculo de las dimensiones y otras caractersticas del

canal.


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Tabla.17 Velocidades mnimas recomendadas para evitar sedimentacin

Tabla.18 Caractersticas de las secciones transversales

Donde:Z = cot

La mayora de los canales que transfieren agua de la toma del ro a lacmara de carga son de tipo abierto, hechos de secciones encementadas(concreto). Cada seccin est

unida por un material hidrfugo para impedirla prdida de agua por percolacin y dar un mejor acabado a fin de reducir

las prdidas por friccin. Tambin sirve como junta de dilatacin.


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a. Pasos a seguir para el diseo de canales

Partimos de la condicin de que ya conocemos el caudal de diseo,previamente calculado para la generacin de energa; es necesario hallar laseccin del canal que nos permitir

conducir un caudal con determinadavelocidad y con la pendiente adecuada:

Definir la pendiente (S) del canal, para microcentrales hidrulicasrecomendamos pendientes no mayores a 2 o 3 por mil, para el caso

del tubo-canal, las pendientes ms adecuadas son 5 o 6 por mil, esto con la finalidadde evitar la sedimentacin; por otro lado, podemos establecer el material de

construccin del canal, esto nos ayudar

a obtener el coeficiente de rugosidad(tabla 16)

De la tabla 14, hallar el ngulo del talud del canal, para canales rectangularesz = 0, lo que indica que la base ser

dos veces el tirante de agua

Dar unos primeros valores al fondo b, el tirante y del canal. Como primertanteo se recomienda tomar un valor para la base como el doble del tirante


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No hay que olvidar que para canales rectangulares z = 0

Una vez obtenido el valor del radio hidrulico, calculamos la velocidad (V)con la frmula de Maning:

n

SRV

2/13/2

=

Enseguida calculamos el caudal, utilizando la frmula: Q = VA. Este valorde caudal debe ser comparado con el de diseo; si es menor significa quehay que aumentar las dimensiones y si es mayor debemos disminuirlas. Lapendiente y la rugosidad se mantienen, con los cambios de dimensionessolo cambia el radio hidrulico y la seccin del canal

Con los nuevos valores dados para la base y el tirante se procedenuevamente a realizar los clculos indicados en los pasos 4, 5 y 6, hasta

obtener un caudal igual o ligeramente mayor al de diseo

Con estos primeros valores calculamos la seccin (A), el permetro (P) y elradio hidrulico (R), ayudados de las siguientes frmulas:


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Durante la estacin lluviosa el exceso de caudal de agua puedetener efectos catastrficos en la estructura del canal y en lascmaras de carga. Para evitar daos, se debe eliminar de un modo

seguro el exceso de agua por medio de unos canales de desagecuidadosamente diseados. Estos canales de desage reciben elnombre de vertederos.

Debido a las grandes velocidades que coge el agua de desage, seproporciona normalmente algn tipo de disipacin de energa en labase del vertedero para impedir la erosin del suelo. Normalmente,esto toma la forma de rocas encementadas o peldaos construidos

en el cauce del vertedero de desage. A veces se instala unacompuerta de desage del canal en el vertedero, que ser

til paralimpiar secciones particulares del canal, que requieren una limpiezafrecuente.


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FUNCIN: Sedimentar partculas de tierra y arena que son arrastrados a lolargo del canal y evitar su ingreso a la tubera de presin.

PARTES: Tanque de sedimentacin, compuerta y desage.


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Fig.34. Esquema deun desarenador alinicio del canal


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Fig.35. Esquema de un

desarenador llegando a la

cmara


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2 1 Ancho y longitud del desarenador


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2.1. Ancho y longitud del desarenador

La longitud total del desarenador se divide en tres partes: entrada (Le),decantacin (Ld) y salida (Ls). La parte central es el rea de decantacin.La longitud de decantacin (Ld) y el ancho (W) aparecen en la figura 35.

La profundidad del desarenador se divide en dos partes: decantacin (dd) yde recoleccin (dr).

Es muy importante que el ingeniero proyectista sepa distinguir entre estasdos profundidades, ya que el desarenador funcionar

correctamente solosi no se permite que la sedimentacin que se va formando exceda elborde del rea de recoleccin que se encuentra en el lmite superior de lazona de recoleccin (dr).


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La velocidad horizontal del agua (Vh) ser

baja, puesto que la zona de

decantacin del desarenador tiene una gran seccin transversal (A).

En el diseo del desarenador deber

tenerse cuidado en tomar unavelocidad baja. Se recomienda un valor de 0.2 m/s en la mayora de loscasos, pero tambin pueden adoptarse valores ms altos, hasta 0.5 m/s.

Para el caso de los valores de la profundidad (dd), estos no debern sermayores a 1 m para fines de diseo. Otra razn prctica para ello es que eldrenaje de la sedimentacin del desarenador puede ser difcil de realizar si

este es muy profundo.


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Consideraciones para el diseo:


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Consideraciones para el diseo:

0.2

Vh

0.4

2

f

3Le = Ls = 1.5W

Donde:

Le = longitud de entradaVs = longitud de salida

Tabla 20. Velocidad dedecantacin de partculas de arena

2.6. Secciones de ingreso del desarenador

La longitud de entrada y salida (Le y Ls) debe ser 1.5 veces el ancho de lazona de decantacin si es que se quiere evitar la turbulencia en el agua.

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