Desarenador...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

DISEÑO DE DESARENADOR PARA CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

I. OBJETIVO Diseñar un desarenador para una central hidroeléctrica. Diseñar la cámara de carga para un pequeña central hidroeléctrica. Diseñar la tubería a presión de la pequeña central hidroeléctrica. II. MARCO TEORICO A. DISEÑO DE DESARENADOR 1. EL DESARENADOR El desarenador es una obra hidráulica, que sirve para sedimentar partículas de material sólido suspendidas en el agua, en el interior de la conducción. Las partículas se mantienen en suspensión debido a que la velocidad de entrada en la bocatoma es elevada y suficiente para arrastrar partículas solidas; esto ocurre especialmente durante las crecidas en las cuales puede entrar gran cantidad de sedimentos. El propósito del desarenador es el de eliminar partículas de material solido suspendidas en el agua. Para que estas se decanten se debe disminuir la velocidad de entrada mediante la variación de la pendiente anterior del canal y el cambio del área de la sección transversal. La velocidad de la corriente en el desarenador no debe ser superior a 0.5 m/s, dado que en velocidades superiores las partículas no se decantan. Hidroenergia

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El volumen de sólidos durante las crecidas para ríos de montaña es aproximadamente de 4% a 6% del volumen de agua transportada y en ríos de llanura es de 0.2 a 1.0%.

2. OBJETIVO DEL DESARENADOR: En todo proceso de potabilización del agua, de tomas para irrigación y de construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas, se realiza una operación que consiste en eliminar las partículas trasportadas por el agua de un cierto diámetro para evitar las fallas o el deterioro progresivo de las estructuras existentes mas delante de la captación para evitar estas fallas se realiza la construcción de las estructuras conocidas como desarenadores. No disponer del desarenador genera daños en las obras, por ejemplo: Disminución de la sección de la conducción (canal) por sedimentación; esto conlleva a aumentar el mantenimiento de la obra. 





Disminución de la capacidad del tanque de presión por acumulación de material solido, debido a la sedimentación, ocasionada por la baja velocidad existente en esta obra. Cuando mayor es la velocidad de las partículas, estas desgastan más rápidamente la tubería y las turbinas, disminuyendo de manera considerable su vida útil. El propósito del desarenador consiste en eliminar partículas de material solido suspendidas en el agua de la conducción, debido a la velocidad del agua; para que ellas se decanten se disminuye su velocidad; en consecuencia, para cumplir con su propósito el desarenador dispone de un mayor área (sección). De forma que debe cumplir con la siguiente expresión:

 Donde: Q: es el caudal de diseño Ac: es el área del canal Vc: es la velocidad del agua en el canal Ad: es el área del desarenador desarenador Vd: es la velocidad del desarenador La fig. 1 muestra un diseño simple de un desarenador a la entrada de un canal esta estructura debe cumplir básicamente estos cinco principios básicos: a) Debe tener una longitud y un ancho adecuado adecuado para que los sedimentos sedimentos se depositen, sin ser demasiado voluminosos o caros. Hidroenergia

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b) Deben permitir una fácil eliminación de los depósitos. c) La eliminación de sedimentos a través de la compuerta debe hacerse cuidadosamente para evitar la erosión del suelo que rodea y soporta la base de la tubería y del depósito. Es mejor construir una superficie empedrada similar al canal de desague del aliviadero. d) Se debe impedir la turbulencia del agua causada por los cambios de área o recodos que harían que los sedimentos pasen hacia la tubería de presión. e) Tener capacidad suficiente para permitir la acumulación de sedimentos.

Vista isométrica de un desarenador

Vista en elevación de un desarenador

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Vista en planta de un desarenador Fig. 1 esquema de un desarenador

3. TIPOS DE DESARENADOR Los desarenadores se clasifican según la forma de eliminar los sedimentos pudiendo ser de lavado continuo o de lavado intermitente. a. DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE Este tipo de desarenador se caracteriza por que se lava periódicamente, aunque la operación de lavado procura realizarse en el menor tiempo posible, esto lo determina la cantidad de sedimentos que trae el agua. El desarenador de lavado intermitente tiene los siguientes componentes: Compuerta de admisión Transición de entrada Transición de salida o vertedero Cámara de sedimentación Compuerta de purga Canal directo      

La compuerta de admisión une la obra de conducción con el desarenador. Por lo general son dos compuertas, una ubicada en la entrada al desarenador y la otra, en la entrada al canal directo. La transición de entrada garantiza una velocidad uniforme y una eficiente sedimentación. Cuando el desarenador no tiene vertedero para enviar el agua limpia al tanque de presión, entonces dispone de otra transición que une el desarenador con un canal que lo comunica con el tanque de presión.

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En la cámara de sedimentación se sedimentan las partículas solidas debido a la disminución de la velocidad por el aumento de la sección. La forma del desarenador es en general rectangular o trapezoidal simple o compuesta. El lavado de la cámara se facilita concentrando los sedimentos en el centro de la misma; conviene para ello que el fondo tenga una pequeña caída hacia el centro con una pendiente transversal, usualmente de 1.5 a 1.8. Para desalojar los materiales depositados en el fondo hacia la compuerta de lavado generalmente se le da un gradiente elevado de 2 a 6%. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de las pendientes en el fondo de la cámara aumenta el volumen del desarenador, el cual no fue incluido en el cálculo; este volumen adicional se toma como depósito para los sedimentos entre lavados. Un estudio de la cantidad y tamaño de los sedimentos que trae el agua asegura una adecuada capacidad del desarenador para no ser lavado frecuentemente. El diseño del desarenador debe evitar la turbulencia y la tendencia al desplazamiento. La turbulencia agita el sedimento manteniéndolo en suspensión y la tendencia al desplazamiento consiste en la capacidad del agua de moverse rápidamente desde la entrada a la salida, transportando consigo una cantidad de sedimentos. Esto se presenta en un principio al estar el desarenador limpio de sedimentos, la velocidad del agua toma valores menores que la velocidad calculada, y cuando está lleno la velocidad del agua es mayor y las partículas viajaran hacia el tanque de presión. El vertedero por el cual pasa el agua limpia hacia el canal o el tanque de presión debe ubicarse formando una curva desde uno de los muros laterales, y continua hasta cerca de la compuerta de desague. La velocidad de paso por el vertedero debe ser baja para evitar crear turbulencia en el desarenador y arrastrar menos materiales en suspensión. La velocidad máxima admitida es 1m/s. La compuerta de lavado se encarga de desalojar el material solido depositado en el fondo. Su lavado se facilita con el movimiento de las arenas hacia la compuerta.

b. DESARENADOR DE CAMARA DOBLE Por lo general, cuando el caudal pasa de 10m3/s, se recomienda dividir el desarenador en dos o más cámaras de igual forma. Cuando se tienen dos Hidroenergia

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cámaras, cada una se calcula para la mitad de caudal y solamente durante el lavado una de ellas trabaja con el caudal total. En este tipo de desarenadores, cada cámara tiene su compuerta de admisión y de lavado independiente y no requieren un canal directo.

c. DESARENADOR DE LAVADO CONTINUO En este tipo de desarenador el material depositado se elimina en forma continua; para ello se requiere que el caudal disponible sea mayor que el de diseño. El desarenador de lavado continuo se divide en dos cámaras, superior e inferior, las cuales están separadas por una caja de barrotes. La cámara inferior esta situada en el fondo y contiene los sedimentos más pesados, encausados a una galería longitudinal de pequeña sección para un vertimiento al afluente. La cámara superior en donde se produce la sedimentación esta encima y tiene una sección grande. El agua situada en la galería sale con velocidades relativamente altas, arrastrando consigo los sedimentos. Las arenas que se depositan en la cámara superior son arrastradas a la inferior a través de los espacios estrechos entre barrotes por el agua que pasa de una a otra cámara. La galería debe permitir el fácil paso de los sedimentos a una velocidad adecuada. Debe tenerse en cuenta que en este tipos de desarenadores se lavan continuamente los sedimentos con el caudal Qs.

4. PARTES DEL DESARENADOR Las principales partes o componentes de un desarenador son: a. TRANSICION DE ENTRADA Es la estructura que une el canal con el desarenador esta estructura es la encargada de unir adecuadamente la geometría del canal con la geometría del desarenador además es la encargada de garantizar una velocidad uniforme y una eficiente sedimentación, cuando el desarenador no tiene vertedero para enviar el agua limpia al tanque de presión, entonces dispone de otra transición que une el desarenador con un canal que lo comunica con el tanque de presión. b. CAMARA DE SEDIMENTACION Lugar en la cual las partículas sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal.

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Según Dubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: • Para la arcilla 0.081 m/s • Para la arena fina 0.16 m/s • Para la arena gruesa 0.216 m/s

De acuerdo a lo anterior, la sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. La forma de la sección transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construcción, pero es relativamente cara pues las paredes deben soportar la presión de la tierra exterior y se diseñan por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica pues las paredes trabajan como simple revestimiento. Con el objeto de facilitar el lavado, concentrando las partículas hacia el centro, conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una caída hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8. La profundidad de la cámara de sedimentación se divide en dos partes: decantación (Dd) y recolección (Dr) es muy importante que el ingeniero proyectista sepa distinguir entre estos dos profundidades, ya que el desarenador funcionara correctamente solo cuando no se permite que la sedimentación que se va formando excede del borde del área de recolección que se encuentra en el límite superior de la zona de recolección (Dr).

c. COMPUERTA DE LAVADO O DE FONDO Sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2 al 6%. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Para lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas de admisión y se abren las de lavado con lo que el agua sale con gran velocidad arrastrando la mayor parte de los sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al Hidroenergia

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canal sea a través del canal directo o a través de otra cámara del desarenador. Una vez que está vacía la cámara, se abren parcialmente las compuertas de admisión y el agua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado, erosionándolos y completando el lavado (en forma práctica, el operario se puede ayudar de una tabla para direccional el agua, a fin de expulsa el sedimento del desarenador). Generalmente, al lavar un desarenador se cierran las compuertas de admisión. Sin embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abierta. Por este motivo las compuertas de lavado deben diseñarse para un caudal igual al traído por el canal más el lavado que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado. Hay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas esté más alto que el punto del río al cual se conducen las aguas del lavado y que la ardiente sea suficiente para obtener una velocidad capaz de arrastrar las arenas. Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser e 3 – 5 m/s. Muchas veces, esta condición además de otras posibles de índole topográfica, impiden colocar al desarenador, inmediatamente después de la toma que es la ubicación ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.

d. VERTEDERO Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. También mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s. De la ecuación de Francis para un vertedero rectangular sin contracciones, se tiene        

Donde: 3 Q = caudal (m /s) C = 1.84 (para vertederos de cresta aguda) C = 2.0 (para vertederos de perfil Creager) L = longitud de la cresta (m) h = carga sobre el vertedero (m) Hidroenergia

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Siendo el área hidráulica sobre vertedero: A=Lh

La velocidad, por la ecuación de continuidad, será:

Y la carga sobre el vertedero

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el máximo valor de h no debería pasar de 25 cm. Casi siempre el ancho de la cámara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la dirección del agua. Por esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continúan hasta cerca de la compuerta de desfogue. Esta forma facilita el lavado permitiendo que las arenas sigan trayectorias curvas y al mismo tiempo el flujo espiral que se origina las alejas del vertedero.

e. CANAL DIRECTO Es la estructura por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero con si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas una de entrada al desarenador y otra al canal directo. En el caso de ser el desarenador de dos o más cámaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cámaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.

5. UBICACIÓN DEL DESARENADOR. El desarenador está ubicado dentro de la central hidroeléctrica después de la captación (bocatoma) y antes de la cámara de carga, ESTUDIOS PARA SU UBICACIÓN

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Topografía: el estudio de esta información mostrara si se tienen: a) Zonas plana que proporcionen espacios adecuados para ubicar las dimensiones de un desarenador, o zonas variadas que tal vez obliguen a tener una estructura en caverna. b) Cierta altura que permita la descarga por gravedad de los sedimentos atrapados en el desarenador hacia una corriente de agua. c) Facilidades de acceso a la zona de ubicación de la estructura. Geología: el estudio geológico nos mostrara las formaciones de modo de saber si se tienen capas duras que obliguen a diseñar desarenadores poco profundos, que sería también el caso de obras para irrigación; si se tiene capas blandas se pude pensar en tener desarenadores mas profundos. Si el terreno sobre el cual se va a construir el desarenador es muy escarpado, entonces puede ser impracticable construir uno ancho. Los valores de la velocidad horizontal y profundidad de recolección pueden seleccionarse nuevamente para conseguir un desarenador más angosto pero más largo.

6. DISEÑO HIDRAULICO DE LA CAMARA DE SEDIMENTACION DISEÑO PARA VELOCIDADES LENTAS a. DISEÑO CON LA TEORIA DE SIMPLE SEDIMENTACION En este caso no se toma en cuenta el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentación se puede plantear las siguientes relaciones: Pasos a seguir para el diseño de la cámara de sedimentación 1. cálculo del diámetro de partícula: Primero se debe determinar las dimensiones de las partículas que se quieren eliminar estas dependen del tipo de turbina seleccionado y de que a menor dimensión de partículas a eliminar se tendrá un tanque mas grande. Se puede elegir el tipo de partícula de acuerdo a la tabla 1 y 2

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2. calculo de la velocidad horizontal (Vh). El siguiente paso es determinar la velocidad de flujo horizontal “Vh” en la cámara, como se menciona en capítulos anteriores esta velocidad puede seleccionarse entre el rango de 0.20m/s a 0.60m/s o utilizar la formula de Camp:

      Donde: Vh: velocidad horizontal del flujo d: diámetro de la partícula a eliminar (mm) a: constante en función del diámetro Tabla 3 a

d(mm) 51

<0,1

44

0,1-1

36

>1

Ld

Vh dd

dd Vd

w

Fig. 2. Dimensiones y velocidades del desarenador

3. calculo de la velocidad vertical o velocidad de decantación (Vd) a) formula de Hazzen

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 

        

Donde: Vd: velocidad vertical o de decantación (cm/s). g: gravedad(m/s^2) μ: viscosidad dinámica del agua turbia (kg*s/m^3) Rr: peso especifico de la arena (gr/cm^3) Ra: peso especifico del agua (gr/cm^3) d: diámetro de la partícula (m) b) con la fórmula de owens

     √         Donde: Vd: velocidad de decantación. K: es una constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, siendo según owens, igual a 9.35 para esferas, 8.25 para granos redondeados, 6.12 para granos ordinarios de cuarzo de diámetros mayores de 3mm y 1.28 para granos de cuarzo de dimensiones menores de 0.7mm.d: diámetro del grano (m) Rr: peso específico de la arena (gr/cm3) c) con la formula de Scotti-Foglieni

      Vd: velocidad de decantación. d: diámetro del grano (m)

d) con la formula de Bosterli:

    Vd: velocidad de decantación. d: diámetro del grano (m).

e) con la tabla de Arkhangelski: TAMAÑO DE LA PARTICULA(mm) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Hidroenergia

VELOCIDAD Vd(cm/s) 0,178 0,692 1,56 2,16 2,7 3,24 3,78 Página 12


0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,70 0,80 1,00 2,00 3,00 5,00

4,32 4,86 5,4 5,94 6,48 7,32 8,07 9,44 15,29 19,25 24,9

4. cálculo de la profundidad de la cámara de sedimentación (dd) La profundidad de la cámara de sedimentación debe estar entre 1.5 a 4m como se mencionó antes esta longitud es asumida por el diseñador y a partir de esta salen las otras longitudes

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Fig.3 dimensiones de un desarenador 5. Calculo de la longitud de la cámara de sedimentación (Ld)

      Ld: longitud de la cámara de sedimentación dd: profundidad de la cámara de sedimentación Vd: velocidad de decantación Vh: velocidad horizontal

6. Calculo del ancho del desarenador



 

W: ancho de la cámara de sedimentación Q: caudal dd: profundidad de la cámara de sedimentación Vh: velocidad horizontal

7. Tiempo de sedimentación



 

t: tiempo de sedimentación Dd: profundidad de la cámara de decantación Vd: velocidad de decantación

8. Volumen de agua conducido en el tiempo de sedimentación      V: volumen transportado Q: CAUDAL t: tiempo de sedimentación Hidroenergia

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9. Verificación de la capacidad de la cámara de sedimentación

       dd: profundidad de la cámara de sedimentación w: ancho de la cámara de sedimentación Ld: longitud de la cámara de sedimentación Si: Vtanque>Vagua; cumple con el diseño del desarenador

10. calculo de la profundidad del tanque colector de sedimentos (dt) a) Conociendo la cantidad de sedimentos trasportados por el agua “s” (kg/m3) y asumiendo un periodo de lavado o vaciado de sedimentos “T” en el tiempo “T” el desarenador absorberá una cantidad de sedimentos “c”.

 C: cantidad de sedimentos depositados en el tanque colector en (kg) T: periodo entre lavado y lavado de la cámara de sedimentación S: cantidad de sedimentos trasportado por el agua (kg/m3)

b) Debemos tener la densidad del material a sedimentar p (kg/m^3) Volumen del sedimento: Vsedimento=C/p Vsedimento: volumen del sedimento C: cantidad de sedimentos en el tanque P: densidad del material c) asumimos una densidad de acumulación preferentemente del 50% Capacidad requerida= (Vsedimento)*(densidad de acumulación) dr= (capacidad requerida)/(w*Ld) dr: profundidad del tanque colector.

b. DISEÑO DE LA TRANSICION La transición debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal, para el diseño se puede utilizar la fórmula de Hind:

Donde: L = longitud de la transición T1 = espejo de agua del desarenador T2= espejo de agua en el canal T2

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T1

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L

c. CALCULO DE LAS DIMENSIONES DEL VERTEDERO a) cálculo de la longitud del vertedero Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s y como se indicó anteriormente, esta velocidad pone un límite al valor máximo de la carga h sobre el vertedero, el cual es de 0.25 m. De la ecuación de Francis para un vertedero rectangular sin contracciones, se tiene: 3

    

Q = caudal (m /s) C = 1.84 (para vertederos de cresta aguda) C = 2.0 (para vertederos de perfil Creager) Para un h = 0.25 m, C = 2 (para un perfil Creager) ó C = 1.84 (cresta aguda), y el caudal conocido, se despeja L, la cual es:



  

Por lo general la longitud del vertedero L, es mayor que el ancho del desarenador W, por lo que se debe ubicar a lo largo de una curva circular, que comienza en uno de los muros laterales y continúa hasta la compuerta de lavado

b) Cálculo del ángulo central α y el radio R con que se traza la longitud del vertedero En la figura 2, se muestra un esquema del tanque del desarenador, en ella se indican los elementos: α , R y L. Fig. 4

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1. Cálculo de α:

Se sabe que: 2πR ---------- 360 L------------------α Como en la ecuación L y w son conocidos, el segundo miembro es una constante:

   ……………………………………………(1) 

Por lo que la ecuación se puede escribir:

      ………………………(2)

El valor de α se encuentra resolviendo por tanteos la ecuación (2)

2. Cálculo de R: Una vez calculada α, R se calcula utilizando la ecuación la cual se deduce de la figura 4:

 

     

3. Cálculo de la longitud promedio ( L’)



  

4. Cálculo de la longitud total del tanque desarenador

       Ltot: longitud total del desarenador Lt: longitud de transición Ld: longitud de la cámara de sedimentación L’: longitud promedio por curvatura del vertedero

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d. DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LAVADO Suponiendo una compuerta cuadrada de lado l, el área será    , la compuerta funciona como orificio, siendo su ecuación:

        √  Q = caudal a descargar por el orificio Cd = coeficiente de descarga = 0.60 para un orificio de pared delgada Ao = Área del orificio (desde la superficie del agua hasta el centro del orificio) h = carga sobre el orificio (desde la superficie del agua hasta el centro del orificio) g = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 Cálculo de la velocidad de salida

  

Donde: v = velocidad de salida por la compuerta, debe ser de 3 a 5 m/s, para el concreto el limite erosivo es de 6 m/s. Q = caudal descargado por la compuerta Ao= área del orificio, en este caso igual al área A de la compuerta B. DISEÑO DE LA CÁMARA DE CARGA Esta estructura hidráulica busca crear un volumen de reserva de agua que permita satisfacer las necesidades de las turbinas y garantizar la sumergencia del sistema de conducción de alta presión, manteniendo una altura de agua suficiente que evite, a toda costa, la entrada de aire a estos equipos de generación. Las principales funciones de la cámara de carga o tanque de presión son: permitir la conexión entre el sistema de conducción y la tubería de presión, producir la sedimentación y eliminación de materiales sólidos que pudiera transportar el sistema de conducción, impidiendo de esta forma la entrada a la tubería de presión de materiales sólidos, de arrastre y flotantes. También debe desalojar el exceso de agua en las horas en que la cantidad consumida por las turbinas es inferior al caudal de diseño. Estas obras deben tener una longitud y un ancho adecuados, sin ser demasiado voluminosos o caros. Para el diseño de la cámara de carga establecemos lo siguiente: 



El caudal de diseño será el mismo que llega a través del canal El tirante de entrada es equivalente al tirante del canal, de igual manera el ancho de entrada corresponde al ancho del canal.

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A partir del volumen del tanque podemos obtener la constante de capacidad de este, para ello empleamos la siguiente tabla:

Por tanto, las dimensiones calculadas para la cámara de carga son: Profundidad (Hcc) = 3,36 m Ancho (B) = 11,80 m Longitud (L) = 11,80 m Dimensiones que garantizan que el chorro, producto de la caída desde el canal de conducción, se integre a la cámara de carga sin afectar sus paredes con deterioros imprevistos. Hidroenergia

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Planta cámara de carga

C. DISEÑO DE LA TUBERÍA DE PRESIÓN 1. INTRODUCCIÓN También denominadas tuberías forzadas, las tuberías de presión tienen como objeto conducir el agua desde el punto en el cual se tiene una gran energía potencial, desde el embalse en algunos casos, o desde el tramo final del túnel de conducción en otros, o desde el denominado pozo de presión o cámara de presión, hasta la casa de máquinas, más precisamente hasta la turbina. Se presenta una transformación energética en la tubería de presión, se disminuye la energía potencial del agua a medida que se desciende y al mismo tiempo se aumenta la energía cinética y de presión. Este capítulo lo conforman las partes constitutivas de la tubería y el análisis del diámetro económico de la misma. En un trabajo posterior se incluirá el tema relacionado con los ensayos a los que deben someterse las tuberías de presión, tales como las pruebas radiográficas, magnetoscópicas, de ultrasonido y de líquidos penetrantes que normalmente suelen hacerse a las soldaduras de fábrica y de campo.

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2. PARTES CONSTITUTIVAS DE LA TUBERÍA DE PRESIÓN Apoyos. Como su nombre lo dice se trata de obras de soporte de la tubería que tienen la función de sostener su peso y permitir el desplazamiento de la misma debido a la dilatación o contracción por cambios de temperatura o de carga. Anclajes. Se trata de una obra civil formada por un macizo de concreto reforzado, que se construye en todos los puntos en los cuales se presenta un cambio de pendiente de la tubería. Estructura que restringe el movimiento axial de la tubería, y transfiere cargas de tracción al terreno. También se construyen en los puntos en los que la tubería cambia de sección.

Fig. Apoyo o silleta

Esquema de un anclaje

Juntas de expansión. La junta de expansión absorbe los desplazamientos de la tubería debidos a las dilataciones y contracciones que experimenta como consecuencia de los cambios de temperatura en el ambiente, así Hidroenergia

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como de los cambios de carga del generador. Los cambios de carga van acompañados de sobrepresiones o subpresiones que producen movimientos de las partes de las tuberías. En las prácticas de mantenimiento deberá incluirse una revisión periódica de las juntas de expansión, con el objeto de prevenir o corregir fugas a través del empaque, que se afloja cuando los movimientos de la tubería son considerables o bruscos, por ejemplo cada vez que ocurra un temblor de tierra o un rechazo de carga deberá hacerse una revisión de las juntas.

Figura. Junta de Expansión

3. DIÁMETRO ECONÓMICO DE LA TUBERÍA DE PRESIÓN Es posible considerar diferentes diámetros para conducir el caudal Q requerido para generar una determinada potencia eléctrica, pero al incrementar el diámetro se incrementa el peso y el costo de la tubería. También se incrementa la energía eléctrica generada debido a la reducción de las pérdidas de cabeza por fricción. Entonces, ¿cuál es el diámetro económico de la tubería de presión? Es aquel para el cual los costos anuales debidos a la mayor inversión no excedan el valor anual del incremento en la energía de salida. Se puede afirmar que la energía anual recuperada aporta los recursos para amortizar la inversión en la tubería. También se puede definir el diámetro económico, como aquel que minimiza el costo total anual, el cual consiste de la amortización anual de la inversión y el valor de las pérdidas de energía. Matemáticamente, este criterio puede expresarse como:

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Dónde: C1: Costo anual debido a la inversión en una tubería de diámetro d. C2: El valor de la energía que puede producirse a través del mismo diámetro d. Designando H [m] como la cabeza de diseño para la sección de tubería bajo consideración, el espesor de pared está dado por:

El peso de una sección de tubería de longitud l [cm] es:

Dónde: γ1: Es el peso específico del acero, 7.85 kg cm3 . Considerando que la tubería instalada puede pesar un 20% más, debido al peso de juntas, ribetes, etc. La ecuación anterior se puede expresar de la siguiente manera:

Ahora, al designar C [$ kg ] como el costo específico promedio de la 0

tubería (inversión) y el costo anual de la operación como a [%], que incluye depreciación y mantenimiento, se tiene que el costo específico anual de la tubería C1 será:

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A continuación se hallará una expresión para C 2. Las pérdidas

Δh

de la

tubería con un diámetro d [cm] y una longitud l [cm] a través de la cual circulan Q [m3/ seg ]; pueden escribirse como:

Dónde: λ : Coeficiente de fricción. La ecuación para la potencia P [kW] con la cual se calculará la energía anual, si se opera la planta durante t horas es: P = 9.8ηQ H [kW ] Donde: Q: Caudal que fluye por la tubería en [m3/ s]. H : Cabeza de diseño para la sección de la tubería en [m]. η: Eficiencia de la turbina + el generador.

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Al asumir la eficiencia total como 0.77, la energía anual para t horas de operación será:

Sustituyendo Δh se obtiene:

Si C2 [$ kWh] es el costo del kWh en bornes del generador, la energía anual producida podrá representarse como:

Ahora, al derivar las ecuaciones obtenidas para C1 y C2; se encuentra que:

Debe poner atención al cálculo de c1 dado que su valor depende del plazo de amortización de la inversión en la tubería y de la tasa de interés a la cual se obtenga la financiación, c1 es una anualidad.

III. CONCLUSIONES: 1) Al final del trabajo se puede concluir que para el diseño del desarenador se tiene que tener en cuenta los estudios de topografía y de suelos, así como el estudio hidrológico para saber el caudal de diseño y los estudios para saber qué tipo de partículas trasporta el agua. 2) El desarenador es una obra hidráulica muy importante y prescindir de ella llevaría al desgaste progresivo de la tubería forzada y de la turbina. 3) El tamaño de partícula a sedimentar depende del tipo de turbina que vamos a utilizar.

Hidroenergia

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Desarenador...

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