GENERALIDADES

ESQUEMA GENERAL DE UNA PEQUEÑA CENTRAL HIDROELECTRICA

HIDROMETRIAAFOROS

Aforos en hidrometría consiste en la medición de los caudales de un cause.CONDICIONES DEL PUNTO DE AFOROa. Un tramo recto y sin obstáculo.b. Una pendiente que garantice un flujo en estado

subcritico.c. Un flujo uniforme.

METODOS DE AFOROS

Los aforos se pueden realizar de varias maneras:a) En estaciones hidrométricas, en las cuales hay las

estructuras necesarias para la medición de los caudales.

b) Uso del Molinete.ESTACIONES DE AFORO

COMPOCISION DE UNA ESTACION DE AFORO:c) Canal de entrada .d) Vertedor.e) Limnigrafo ó Mira.f) Canal de Salida.

AFORADOR CON VERTEDOR DE CRESTA ANCHA

El caudal vertido a través de un vertedor de cresta ancha, se puede determinar por la siguiente formula.

Q = 1.71 L Q- Caudal vertido, L- ancho del vertedor, H- Carga

en el Vertedor

AFORADOR CON VERTEDOR DE PARED DELGADA

El caudal que se vierte a travels de un vertedor de pared delgada se define de la forma siguiente:

Q = K L K = 2/3 Q- Caudal Vertido, L- Ancho del Vertedor, H- Carga en el Vertedorg- Gravedad, - Coeficiente de Descarga, preliminarmente 0.62 a 0.65

AFORADOR CON VERTEDOR TRIANGULAR

El caudal que vierte un aforador triangular Tipo Thompson se determina por la formula de Thompson. Se llama Thompson por que el angulo entre las paredes es de 90 grados. Q = 1.4

Q- Caudal vertido, H- Carga en el Vertedor

AFORO CON MOLINETE

Para realizar un aforo usando un molitene se debe tomar las siguientes consideraciones:a) Un tramo Recto sin obstaculos.b) Donde el flujo este sin pertubaciones, tranquilo, subcritico.El molinete se usa para medir la velocidad media del flujo.

La velocidad media se determina de la siguiente manera.= o Y conociendo la velocidad media y el area de la seccion, por la formula de la continuidad, se obtiene el caudal.

Con la seccion indentificada se procede a subdividir la seccion en subsecciones, para facilitar el trabajo.En numero de subsecciones va a depender de la seccion transversal del cause.Entonces el caudal sera.

Q= Q- Caudal Total, - Areas de las subsecciones, -

Velocidad media de cada sub-seccion.

PLANILLA DE AFORO

CURVA DE DESCARGA

Q CAUDAL

TIRANTE

h

VERTEDORES

Clasificación de vertedores según su forma vertedora:a) Rectangularb) Triangularc) Trapezoidal (Chipolleti)

Los vertedores son usados, para el control del flujo, elevar el nivel del flujo y para la medición del caudal.

Rectangular Triangular Trapezoidal

Otra clasificación de los vertedores ajustada a dimensiones de la cresta.

a) Vertedores de pared delgada.b) Vertedores de cresta ancha.c) Vertedores Creager.VERTEDORES DE PARED DELAGADA

Para un trabajo optimo del vertedor en el vertido del flujo es recomendable asumir < 0.5

VERTEDORES CRESTA ANCHA• Un vertedero de cresta ancha, significa que el

flujo tiene un recorrido significativo a través de este, por lo cual es necesario que no se produzcan perdida considerable.

Se recomienda establecer la dimensión de la cresta del vertedor con la menor perdida de la carga posible, por esto es recomendable asumir la siguiente relación, con la cual las perdida son despreciable. 2<

VERTEDORES DE PERFIL PRACTICO

Los vertedores de perfil practico reciben este nombre, por que el flujo vertido toma la forma del vertedor hasta agua a bajo de este.También vertedores cilíndricos, sintéticos, poligonales, son también llamados de perfil prácticos.Aunque el vertedor tipo Creager es el más común

Otros vertedores de Perfil Practico

ECUACION DE LOS VERTEDORESLa Ecuación de los vertedores se expresa de la siguiente manera:

Q = m bQ – Caudal, m – Coeficiente de descarga, b – Ancho del

vertedor, g – gravedad, - Carga Especifica.

El coeficiente de descarga depende del tipo de vertedor y de su construccion, es decir que cada vertedor tienen coeficiente de descarga diferente.La carga Especifica es igual a : = H + - Carga Especifica, H – Carga estatica, - Carga de Velocidad

CONSTRUCCION DE PERFIL CREAGER• El cimacio del vertedor tipo Creager se puede usar dos forma,

para su construcción.La primera es usando la ecuación de Scimemi.

Y= 0.5 Donde: Y y X – Son las coordenadas de los puntos del cimacio, - Carga Especifica.Se le dan valores a X, de acuerdo a la precision para la construccion del perfil.Otra forma de construir el perfil, es a traves de una tabla de coordenadas en funcion de una carga de un metro, y para obtener las coordenadas del nuevo perfil, solo basta multiplicar la carga obtenida en su calculo por las coordenada establecida para un metro de carga.

ECUACION DE SCIMEMI

Y= 0.5 Usando esta ecuacion construimos el perfil del dique.

CONSTRUCCION DEL LA CRESTA DEL VERTEDOR

El radio que define la cresta.= . El Angulo , se obtiene de la siguiente forma. = arcotag . Las coordenadas del centro de coordenadas,=0.283 y =0

CALCULO DEL PERFIL AGUAS ABAJO

Para construir el perfil de vertedero de un dique tipo Creager, utilizamos la ecuación de Scimemi, el perfil se construye hasta el punto tangente con coordenadas (XT , YT), luego la unión con el canal de desague se realiza con arco de radio R.Derivando la ecuación de Scimemi se puede obtener la pendiente de la recta que define la tangencia en el punto PT. Entonces podremos determinar el Radio del arco de unión.

Y= 0.5 , La derivada será, 1.85 , entonces ), , entonces el radio del arco será.

𝛾=𝑎𝑟𝑐𝑜𝑡𝑎𝑔𝑆

COORDENADAS PARA LA CONSTRUCCION DEL PERFIL DEL VERTEDOR TIPO CREAGER PARA UN METRO DE CARGA

x y0.0 0.126

0.1 0.036

0.2 0.007

0.3 0.000

0.4 0.007

0.6 0.060

0.8 0.147

1.0 0.256

1.2 0.393

1.4 0.565

1.7 0.873

2.0 1.220

2.5 1.960

3.0 2.824

3.5 3.818

4.0 4.93

4.5 6.22

COEFICIENTE DE DESCARGA

COEFICIENTE DE DESCARGA mVertedor tipo Creager 0.49Vertedor de Cresta Ancha 0.385

Para vertedores de Paredes Delgadas, se puede establecer por la siguiente expresión. H

CUENCO AMORTIGUADOR• Para el diseño de cuenco amortiguador o´

disipador, es necesario establecer el tipo de vertedor, por que de esto depende parte de su diseño.

Por Bernoulli = + Entonces la energía se puede expresar de la siguiente manera , , la velocidad de compresión será. 2

El coeficiente de velocidad , se establece como Este coeficiente sus valores oscilan entre 0.95 a 0.98.Para determinar las dimensiones del cuenco, es necesario calcular los tirantes conjugados del salto hidraulico.Asumiendo que la seccion transversal del cuenco es rectangular, podemos proceder de la manera siguiente. El caudal especifico se calcula .

Entonces el tirante conjugado , Donde la velocidad es Luego el tirante al final del salto sera,

La longitud del cuenco sera. =

El disipador de energia es un dipositivo que se usa cuando la energia del salto no fue disipada, entonces el disipador de energia depende de la relacion que existen entre el tirante conjugado y el tirante en el cause aguas abajo .Si el tirante , esto quiere decir que es necesario disipar la energia que todavia tiene el salto.Entonces es necesario la instalacion de un disipador. Partiendo de: = d + + , entonces la altura del disipador es.

PERFIL DE DIQUE DERIVADORESTE CONSTITUTYE UNA DE LA POSIBLES

CONSTRUCCION DEL DIQUE DERIVADOR

Estabilidad al vuelco y Deslizamiento• Supresión.Es un empuje que se produce por el flujo por debajo de la fundación de dique.Podemos determinarla por el método de Lane.Donde la longitud de la fundación se calcula de la siguiente forma.

L+ La subpresion se calcula por el area del diagrama de presion

W= BDonde son presiones aguas arriba y aguas abajo.

- peso específico del agua , B- ancho de la fundación.El punto de accion de la subpresion =

Ai – sub areas, xi- distancia en y y At- area total.

C – Depende del tipo de sueloTabla para C para diferente de material

Diagrama de subpresion

PESO PROPIO=El punto de accion con relacion al eje X es

EMPUJE HIDROSTATICO El punto de acción del Empuje es H

=

ESTABILIDAD AL VUELCO Y DESLIZAMIENTO

Estabilidad al vuelco Mr- Momentos de fuerzas restauradoras.Md- Momentos de fuerzas desestabilizadoras.

Fuerzas Restauradoras Peso Propio del dique.Fuerzas DesestabilizadorasEmpuje y Supresión.

La estabilidad al deslizamiento1

- Fuerzas Restauradoras. Fuerzas Desestabilizadoras.

CAPTACION DEL CAUDAL.El caudal para la central hidroeléctrica, depende de la demanda eléctrica. Este caudal se puede establecer a partir de la ecuación de la potencia en la central.

Donde:Q- Caudal , - Densidad del agua, H- Carga, - Gravedad, - Eficiencia turbina-generador.

Entonces el caudal de diseño de la central hidroeléctrica será. =

- Caudal de Diseño (P- Demanda Eléctrica (Kw)H- Carga (m)- Peso Especifico del agua (ton/)También = - Caudal de Diseño (P- Demanda Eléctrica (watt)H- Carga (m) , - Densidad (Kg/), - Eficiencia turbina-generador , = 0.8 ; - Gravedad ().

DEMANDA ELECTRICAPara establecer la demanda eléctrica, es necesario determinar la potencia instalada en la vivienda tipo doméstica, alumbrado público, industrial, también determinar los coeficiente de uso continuo y de uso de simultaneidad.Aunque para establecer la demanda eléctrica de manera practica se pueden usar algunos métodos, que establecen la demanda eléctrica por el numero de habitantes de una comunidad, también por medio de una asignación por vivienda watt/vivienda.Estos métodos preliminares podemos usarlo para el diseño de pequeño proyecto hidroeléctricos. Como los que se presentaran en esta Monografía.

METODO DE NOSAKIEn este método se asigna una demanda por número de habitante, tomando en cuenta so nivel socio-económico. POBLACION #HAB. DEMANDA (kW)

500 a 1000 15 a 351000 a 2000 35 a 802000 a 4000 80 a 1804000 a 10000 180 a 50010000 a 20000 500 a 1200

También se puede establecer la demanda estableciendo una demanda por vivienda familiar.Demanda Doméstica 250 a 400 watt/vivienda

• La captación de este caudal se realiza a través de una toma ubicada en la fuente de abastecimiento.

• La fuente de abastecimiento lo constituye una corriente natural que debe tener las condiciones de garantizar este caudal de manera continua.

Por lo cual esta obra de toma puede tener varias opciones, la más objetiva es a través de un dique derivador, el cual se instalara la estructura de captación.El diseño se basa en la ecuación de los vertedores.Q = m b

ESQUEMA DEL DIDQUE DERIVADOR

• Esto representa una variante

Una variante para el diseño de toma, es usar un vertedor de cresta ancha, cuyo coeficiente de descarga, m = 0.385Entonces la ecuación del vertedor de cresta ancha que de la siguiente forma.

Donde: L- Ancho frontal, H- Carga en el Vertedor.

TOMA EN DIQUE DERIVADOR

DESARENADOR

• El desarenador tiene con función evitar que a la casa de maquina lleguen sedimentos granular (arena), para evitar daño en el rodete de la turbinas.

• Su ubicación puede ser diversa.

COMPONENTES DEL DESARENADOR• Esta es una variante de un desarenador

otra variante

DIMENSIONAMIENTO DEL DESARENADOR

El dimensionamiento de un desarenador depende de varios parámetros.a) Diámetro de la arena, b) Velocidad de Sedimentación y

superficie destinada para acumular el sedimento granular.La velocidad en la camera del desarenador está relacionada con el diámetro del sedimento granular (arena), por esto es de una importancia primordial establecer el diámetro de la partícula del sedimento granular.Entonces para diámetro de la partícula desde 0.25 a 0.40 mm, se toma como velocidad en la camera 0.25 a 0.50 m/seg. Y para diámetro hasta 0.7 mm la velocidad en la camera puede ser entre 0.7 a 0.8 m/seg.

El tirante efectivo en el desarenador se establece, a partir del tirante total de la camera H y el tirante destinado para acumular el sedimento , se asume un H y el tirante será desde un 25 a 30 % de H.Entonces el Tirante Efectivo

En ancho de la camera se establece =

Dónde: - Ancho de la camera, - Caudal de Diseño- Tirante efectivo y - Velocidad en la camera.La longitud de la camera.

= Donde: - Coeficiente de ajuste desde 1.2 a 1.5 ,

- velocidad de sedimentación y - Longitud de la camera.

Finalmente el desarenador tendrá un vista así.

La longitud de la transición se establece a partir del criterio de la superficie libre, tanto en el canal como en la cámara del desarenador.Entonces la longitud de la transición.

Donde: - Superficie libre de la cámara, - Superficie

libre del canal, - Angulo entre muro de la transición y la horizontal y - Longitud de la

Transición.

CAMARA DE CARGAEl diseño de la cámara de carga es muy similar al de un desarenador, esto quiere decir que su dimensionamiento es similar al de un desarenador.También la forma es similar al de un desarenador, con diferencia en la salida, que la cámara de carga siempre entrega la descarga a una tubería de presión.La cámara de carga tiene que garantizar que la tubería de presión va siempre a trabajar a sección llena y a presión, para esto en la cámara de carga se establece una inmersión mínima.La inmersión minina también va a garantizar que a la entrada del flujo en la tubería de presión no se formen vórtices.

Construcción de la Cámara de CargaEs similar a un desarenador.La cámara de carga esta compuesta por:a) Transición.b) Cámara.c) Vertedor de rebosed) Rejillae) Transición de salida o caja

de salida.La tubería de presión debe cumplir con una inmersión mínima.

Formula de Knauss

Formula de Nagarkar 4.4

Formula de Rohan = 1.474

Otras construcciones

Elementos de la cámara de carga:Transición, b) Cámara.c) Compuerta de limpieza.d) Canal de rebose.e) Tubería de Ventilación.

REBOSE LATERALEl rebose lateral tiene como función descargar el agua de excedencia en la cámara de carga.Este rebose trabajaría como un vertedor de pared delgada, no confundirlo con un vertedor lateral, ya que el vertedor lateral trabaja en canales, cuando el flujo corre de manera normal.Y también en vertedor lateral intervienen los elementos del canal, tales como la solera o fondo del canal, pendiente, estado del flujo, talud, ect.

TUBERIA DE PRESIONLa tubería de presión tiene como función llevar el flujo desde la cámara de carga hasta la casa de maquina(hasta las turbinas). El cálculo hidráulico

del tubería de presión, se compone de los componentes.a) Establecer un

diámetro económico.

b) Determinar las pedidas de la carga

c) Establecer la sobre presión por golpe de ariete.

d) Un trazado adecuado.

TIPO DE TUBERIALa tubería de presión pueden ser de acero y de pvc, basicamente.Las tubería de acero es recomendable que estén colocada sobre la superficie del terreno.Mientras que la de PVC, es bueno que estén soterrada. La tubería de pvc recomiendas son: TIPO TUBERIA PRESION

SDR-26 160 PSI SDR-21 200 PSI SDR-17 250 PSILa tubería de acero al carbono, son capaces de trabajar a una presión mínima de 750 psi.

APOYO Y ANCLAJE EN TUBERIA DE ACERO

• Trazado de tubería

DISEÑO HIDRAULICO

Diámetro Económico.Para establecer un diámetro que resulte económico, es necesario establecer dos parámetros importante.a) Velocidad del Agua , b) Perdida de la cargaEl diámetro optimo será el permita un precio mínimo con la menor perdida de la carga.Es importante saber que disminuir el diámetro de manera inadecuada implica un aumento de la perdidas.El diámetro económico se puede establecer por las siguientes formulas.

= Dónde: - Diámetro Económico, - Caudal, ()

Otra fórmula para diámetro económico

• = 1.15 • - Caudal en (lit/seg)

PERDIDA DE LA CARGA.La pérdida de la carga en tubería de presión, se manifieste de dos forma.a) Perdida por fricción.b) Perdida locales.La perdida por fricción se produce cuando el flujo se transporta a través de la tubería, en este caso desde la cámara de carga hasta la casa de Maquina, (hasta la Turbina).Darcy-Weisbasch. Hazen-Williams.f = LManning. L Pablovskii.

f- Coeficiente de fricción depende del .C- Coeficiente depende del material del tubo.- Velocidad del flujo.D- Diámetro .Q- Caudal.L- longitud de la tuberían- Coeficiente de rugosidad.

PERDIDAS LOCALESLas perdidas locales son la que se producen en punto específicos donde el flujo recibe algún tipo de cambio.Estos cambios son provocados:a) Entrada a la tubería, b) Cambio de dirección, en los giros de la

tubería, En la válvulas, etc.Las perdidas locales se determinan por la siguiente expresión:

= Dónde: - Coeficiente de resistencia, - Velocidad del flujo.Los cambios de dirección del flujo se recomienda que estén en los rango de 30 o 45 grados.La pérdida en codos se puede establecer cómo.

= 0.25

Entonces la pérdida total será la suma de la perdida por fricción y las perdidas locales.La velocidad para calcular las perdida de la carga, se establece a partir de la ecuación de flujo de Manning.

Dónde: - Radio Hidráulico, , D es el diámetro de la tubería.- Pendiente de la tubería, - rugosidad de la tubería.

LINEA PIEZOMETRICA

Esquema de la Línea Piezometrica.

GOLPE DE ARIETE Y SOBRE PRESIONEl Golpe de Ariete es un fenómeno que se produce en tuberías forzada(que trabajan a presión), cuando el flujo recibe un corte repentino y de produce un cambio de la velocidad, que puede llegar a cero(0), esto provoca una onda de propagación que conlleva cambio considerable de la presión. Al cerrar la válvula se genera una onda de presión, que viaja en sentido contrario a la velocidad del flujo, el flujo se va comprimiendo en capas a la velocidad de la onda, entonces la tubería sufre dilatación (Golpe de Ariete Positivo) cuando la onda se devuelve contracción (Golpe de Ariete Negativo).El periodo de la onda es.

Dónde: - Celeridad, – Longitud de la Tubería, T- Periodo.

El periodo de la onda representa el tiempo que la onda regresa a la válvula.Esto define el Tipo de Maniobra.La maniobra depende del tiempo que se cierra la válvulaSi, - Maniobra Rápida (Golpe de Ariete Directo). Si, - Maniobra Lenta (Golpe de Ariete No Directo).La velocidad de la onda – Celeridad - , se puede calcular por:

Donde:La velocidad del sonido en el agua es 1425 m/seg.D- Diámetro del tubo, e- Espesor del tubo, - Modulo de Elasticidad del agua, - Modulo del material del tubo.

SOBRE PRESION

DIAGRAMAS DE COMPORTAMIENTO DE LA SOBRE-PRESION

CONTINUACION

CONTINUACION

El calculo de la Sobre-Presión Máxima- Cierre Rápido

Para Cierre Lento

Dónde: - Celeridad, - Velocidad del Flujo, - Periodo de la Onda, - Tiempo de Cierre, - Gravedad y - Sobre-Presion.

MEDIDAS CONTRA EL GOLPE DE ARIETE

a) Control de la Velocidad del flujo en la tubería.b) Manipulación adecuada de las válvulas.c) Instalación de dispositivos especiales. TIPOS DE DISPOSITIVOSd) Válvula de alivio

b) Cámara de aire comprimido.

c) Pozo de Oscilación (Chimenea de Equilibrio)

C0NSTRUCCION DE COMPUERTAS Esquema Generales de Compuerta.

DETALLES

• 1

ALGUNOS PROYECTOS

PRINCIPALES ESTRUCTURAS DIQUE DERIVADOR

DESARENADOR

CANAL DE CONDUCCION Y DESARENADOR

CAMARA DE CARGA

TUBERIA FORZADA

OTROS ESQUEMAS

ESQUEMATIZACION DE LA CARGA

CLASIFICACION DE HIDROELECTRICAPOR POTENCIA INSTALADA

POR LA CARGA

TIPO DE PLANTA POTENCIA INSTALADA

PICO HIDROELECTRICA < 5 KWMICRO HIDROELECTRICA 5 KW A 100 KW

MINI HIDROELECTRICA 100 KW A 1 MW

MEDIANA HIDROELECTRICA 1 MW A 10 MW

HIDROELECTRICA COMPLENTA > 10 KW

TIPO DE PLANTA CARGA

CARGA BAJA < 15 m CARGA MEDIANA 15 A 50 m

CARGA COMPLETA > 50 m

PLANTA

SECCION A A VERTEDOR

SECCION B B TOMA CON VERTEDOR DE CRESTA ANCHA

SECCION B B TOMA CON VERTEDOR DE CRESTA ANCHA

ESTA PUEDE SER OTRA VARIANTE PARA LA TOMA

SECCION C CDESARENADOR

BIBLIOGRAFIA1- Hidráulica de Canales.V. T. Chow.2- Hidráulica de Canales.J. Aguirre.3- Hidráulica.D.V. Shternlijt4- Manual del DiseñadorP.L. Ivanov.5- Estructuras Hidráulica.P. Novak, A.I.B. Moffat.6- Mecánica de Fluidos.Merle C. Potter, David C. Wiggert, Bassem H. Ramadan.