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ndice

1. Anlisis de los canales de conduccin

1.1) Geometra de las secciones transversales. Formas ms 2

convenientes

1.2) Seccin rectangular 2

1.3) Seccin trapecial 3

1.4) Seccin parablica 3

1.5) Seccin triangular 4

1.6) Seccin tolva 4

1.7) Seccin circular 5

2. Mtodos de medicin del caudal de un ro pequeo 7

2.1) Mtodo del flotador 7

2.2) Mtodo volumtrico 7

2.3) Mtodo de la trayectoria 10

2.4) Estructuras de medida 13

3. Golpe de Ariete de una Turbina 15

4. Etapas para un proyecto de una mini central hidroelctrica 17

4.1) Etapas del Proyecto 17

4.2) Estudio de Prefactibilidad 17

4.3) Estudios Bsicos 17

4.4) Obras civiles 18

4.5) Estudio Ambiental 19

5. Bibliografa 21

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1. Anlisis de los canales de conduccin

1.1) Geometra de las secciones transversales. Formas ms convenientes

Analizaremos cul es la seccin ms conveniente teniendo en cuenta slo las condiciones hidrulicas, o sea la forma geomtrica de seccin transversal ms eficiente, o sea que conduce el mayor caudal. Es decir, que no se analizan factores como factibilidad de construccin, materiales, costo de excavacin, etc. El caudal aumenta con el aumento del radio hidrulico. Por lo tanto aumenta cuando el rea de la seccin transversal tambin aumenta o cuando el permetro mojado disminuye. La seccin que tenga menor permetro mojado para un rea determinada transportar mayor caudal, entonces esa seccin es la ptima hidrulicamente. Entre secciones de igual superficie, el semicrculo tiene el menor permetro, por lo que es la forma geomtrica ms eficiente desde el punto de vista hidrulico. A continuacin se resumen criterios para elegir la seccin ms conveniente hidrulicamente:

Entre las superficies de igual permetro la de mayor superficie es el crculo.

De los polgonos de n lados, el de mayor superficie es el regular.

De los polgonos de lados de longitud dada el de mayor superficie es el que se inscribe en un crculo.

De los polgonos de ngulos dados el de mayor rea superficie es el que se circunscribe en un crculo.

La seccin transversal puede considerarse como medio polgono, para poder aplicar las condiciones anteriores. Por lo tanto la mejor seccin es el semicrculo, entre las trapeciales el semihexgono regular, entre las rectangulares el semicuadrado, y entre las triangulares el tringulo issceles de 45. El principio de la mejor seccin hidrulica se aplica slo en el diseo de canales no erosionables, o sea revestidos con hormign o cualquier otro material. Las secciones transversales en canales naturales son irregulares, mientras que en los canales artificiales se proyectan de formas geomtricas regulares. A continuacin indicamos las ms usuales. 1.2) Seccin rectangular

Como la seccin rectangular, tiene sus lados verticales, se usan en canales

revestidos, sus paredes deben ser autoportantes por lo que son generalmente de

Hormign Armado, se dimensionan a un estado carga que contempla el empuje del

agua y el del suelo a los costados del mismo. El dimensionamiento y proyecto integral

de un canal corresponden a la Materia de Obras hidrulicas I, de modo que en nuestra

Materia slo estudiaremos el canal desde el punto de vista de su comportamiento

hidrulico, y no desde el punto de vista integral.

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1.3) Seccin trapecial:

Desde el punto de vista constructivo y econmico es una de las secciones ms usadas

por su rapidez constructiva y economa de materiales. Los espesores del hormign de

revestimiento son menores que para las secciones rectangulares, y necesitan menos

armadura que las mismas. El parmetro que aparece en este tipo de seccin

transversal es el talud lateral z que se expresa como la tangente del ngulo que

forma el talud con la vertical, o sea cateto horizontal sobre cateto vertical (H:V).

1.4) Seccin parablica.

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1.5) Seccin triangular:

1.6) Seccin tolva

En la cual la seccin transversal se puede calcular mediante el baco de Lhemann, ya

que la expresin matemtica que la representa es muy complicad de expresar, pero

depende del ngulo , el radio r de la porcin circular y los taludes laterales z

La seccin tolva tiene un muy buen rendimiento hidrulico, desde el punto de vista de

su forma, pero cuando se trata de evacuar grandes caudales las secciones

transversales se hacen muy profundas complicando bastante la construccin del

canal, no slo por la excavacin, sino tambin por la necesidad de contar con muy

buenas propiedades portantes en el suelo a profundidades mayores.

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1.7) Seccin circular: acueductos abovedados

En este caso la conduccin tiene una geometra cerrada, pero hidrulicamente trabaja

a presin atmosfrica, o sea como una canalizacin abierta. Esta forma se utiliza para

el transporte de lquido cloacal por ejemplo. La caracterstica hidrulica ms

importante es que el mximo caudal no ocurre con el ducto lleno.

Para encontrar la altura en la que se produce la velocidad mxima, debe encontrarse

el valor de que haga mximo el radio hidrulico:

Expresando la altura en funcin de y reemplazando el valor encontrado:

Por lo que, la velocidad mxima se produce a una h=1,64 r

De la misma manera, para encontrar la altura a la que se produce el caudal mximo,

aceptando queel coeficiente C es independiente del radio hidrulico:

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Operamos matemticamente para encontrar que el valor de que satisface la

ecuacin es 308 10.Por lo que h=1,90 r. Observando la grfica, se deduce que para

un acueducto circular con Movimiento Permanente Uniforme (M.P.U.), la velocidad

media para h/D= 0,5 y para h/D= 1 son iguales, entre estas dos alturas hay dos

alturas conjugadas cuyas velocidades medias sern iguales, producindose el valor

mximo para h/D= 0 ,84 .

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2. Mtodos de medicin del caudal de un ro pequeo

Entre los mtodos ms utilizados para medir caudales de agua se encuentran los siguientes: 1. Mtodo del flotador 2. Mtodo volumtrico 3. Mtodo de la trayectoria 4. Estructuras de medida 2.1) MTODO DEL FLOTADOR

El mtodo del flotador se utiliza en los canales y acequias y da slo una medida

aproximada de los caudales. Su uso es limitado debido a que los valores que se obtienen son estimativos del caudal, siendo necesario el uso de otros mtodos cuando se requiere una mayor precisin. - Materiales

Se elige un tramo del canal que sea recto y de seccin transversal uniforme, de alrededor de 30 metros de largo, donde el agua escurra libremente. Se marca en el terreno la longitud elegida y se toma el tiempo que demora el flotador en recorrera, con el fin de conocer la velocidad que lleva el agua en esa seccin (Fig. l). Como flotador se puede usar cualquier objeto que sea capaz de permanecer suspendido en el agua, como un trozo de madera, corcho u otro material similar, que no ofrezca gran resistencia al contacto con el aire y que se deje arrastrar fcilmente por la corriente de agua.

Figura 1. Medicin de caudal mediante el mtodo del flotador - Determinacin de la velocidad

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Para conocer la velocidad del agua deber dividirse el largo de la seccin elegida, en metros, por el tiempo que demor el flotador en recorrerla, expresado en segundos, como se Indica en la siguiente relacin.

El paso siguiente es determinar el rea promedio del canal (seccin transversal del canal). - Determinacin del rea del canal Se multiplica el ancho promedio del canal por su profundidad, con todas las medidas expresadas en metros (ver Figura 2).

Figura 2. Medidas necesarias para determinar el rea de un canal. Determinacin del caudal Conocida la velocidad (V) del agua y el rea (A) del canal, se aplica la siguiente frmula para calcular el caudal (Q):

Q = A x V x 850 donde:

Q = caudal en l/s A = rea del canal en m2 V = Velocidad en m/s

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- Ejemplo para calcular el caudal, utilizando el Mtodo del Flotador a) Clculo de la velocidad

Largo seccin canal = 10 metros. Tiempo en recorrerla = 20 segundos.

Velocidad = 10/20 = 0,5 m/s b) Clculo del rea (ver Fig. 3)

A = [(0,60 + 0,40)/2] * 0,30 = 0,15 m2 c) Clculo del caudal

Q = 0,15 * 0,5 * 850 = 63,75 l/s

Figura 3 Medidas de la seccin del canal del ejemplo, para determinar el rea del canal.

Una variante de este mtodo corresponde a aquella que utiliza un "molinete hidrulico" para medir la velocidad del agua a distintas profundidades del canal; multiplicndose dicho valor por el rea del canal para la obtencin del caudal.

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2.2) MTODO VOLUMTRICO Este mtodo permite medir pequeos caudales de agua, como son los que escurren en surcos de riego o pequeas acequias. Para ello es necesario contar con un depsito (balde) de CANAL volumen conocido en el cual se colecta el agua, anotando el tiempo que demora) en llenarse. Esta operacin puede repetirse 2 3 veces y se promedia, con el fin de asegurar una mayor exactitud (Figura S). Dividiendo el volumen de agua recogido en el recipiente por el tiempo (en segundos) que demor en llenarse, se obtiene el caudal en litros por segundo. Ejemplo: Volumen del Balde: 20 litros. Tiempo que demor en llenarse: 10 segundos.

Caudal en l/s = 20/10 = 2 l/s

Figura5: Medicin de caudales utilizando un balde y un cronmetro.

2.3) MTODO DE LA TRAYECTORIA Este mtodo es de gran utilidad para el aforo de tuberas y bombas. Con l es posible obtener una aproximacin aceptable cuando se usa en forma adecuada. La ventaja que presenta es su fcil y rpida operacin. Procedimiento El material que se utiliza es una escuadra, cuya forma se indica en la Figura 6 (tubera a nivel). La caracterstica de ella es que uno de sus lados (Y) debe medir 25 cm para poder hacer uso de las tablas que se detallan a continuacin. La medicin se realiza desplazando la regla hasta que el extremo inferior (mango) roce el chorro de agua que sale del tubo. El lado X de la regla debe quedar paralelo y apoyado en dicho tubo, para medir as la distancia horizontal que hay desde el punto donde el chorro toca la regla, a la boca de salida de la tubera.

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Figura 6. Medicin de caudal en una tubera llena en posicin horizontal. La tubera debe estar en forma horizontal. Debe cuidarse que no se produzcan curvaturas a lo largo de ella y que la tubera vaya llena de agua. Es conveniente hacer varias lecturas con el fin de promediar los resultados y obtener una medicin ms prxima al caudal verdadero. Una vez realizada la medicin en la reglilla horizontal X, se mide el dimetro interno del tubo. Con estos dos valores se determina el caudal en la Tabla 1. Ejemplo: Lectura sobre la reglilla horizontal (X) = 40 cm Dimetro del tubo = 5 pulgadas Caudal segn Tabla 1 = 22.0 l/s

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Tabla 1: Caudal en l/s para varios dimetros de tuberas.

* Datos del ejemplo.

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2.4) ESTRUCTURAS PARA MEDICIN DE AGUAS Como hemos visto, la medicin de caudales puede ser hecha por distintos mtodos, sin duda los sistemas ms eficientes y exactos son aquellos que utilizan estructuras especiales. Casi todas las clases de obstculos que restringen parcialmente la corriente de agua en un canal pueden ser utilizados para medicin de caudales, siempre que se les calibre apropiadamente. Existen, sin embargo, una gran cantidad de sistemas y dispositivos utilizados en la medicin de aguas. En este caso, se detallan slo los ms conocidos y sencillos, como son los vertederos y orificios. VERTEDEROS Sin duda alguna son los ms sencillos y utilizados para medir el caudal de agua en canales abiertos. Segn la forma que se obligue a adoptar a la seccin de la vena lquida que circule por l, se clasifican en rectangulares, trapezoidales y triangulares (Figura 7). La carga o altura de agua que pase sobre la cresta del vertedero debe medirse a una distancia aguas arriba tal, que no sea afectada por la depresin de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta. Esto se consigue haciendo las mediciones a una distancia de por lo menos seis veces la carga (altura) mxima a la que puede llegar el vertedero. La forma ms conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del canal o acequia aguas arriba del vertedero, (a la distancia sealada de por lo menos 6 veces la carga de agua a medir), sobre la cual se fija una reglilla graduada en centmetros, cuidando que su origen, el cero, quede a la altura de la cresta del vertedero (Ver Figura 8).

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Figura 7: Distintos tipos de vertederos.

Figura 8: Esquema de medicin de la carga de agua que pasa por el vertedero.

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3. Golpe de ariete de una turbina

Tenemos la ecuacin:

donde:

Supongamos que en una central un grupo se queda bruscamente sin carga. Si el

distribuidor Fink o el inyector Pelton se cerrasen lentamente la turbina se embalara.

Esto puede originar una seria averia mecnica; luego hay que evitarlo; pero si el

distribuidor Fink o el inyector se cierran rpidamente, se produce el golpe de ariete.

Para solucionar este problema se utiliza en las turbinas Francis el orificio

compensador, en las turbinas Pelton la pantalla deflectora, y en unas y otras la

chimenea de equilibrio.

El orificio compensador esencialmente es un orificio obturado con una vlvula que,

cuando la turbina se queda sin carga, se abre automticamente. Al abrirse pone en

comunicacin directamente la cmara espiral con el canal de salida sin pasar el

rodete. De esta manera la turbina no se embala. A fin de que no se gaste mucha agua

el distribuidor se cierra, pero lentamente, evitndose as el golpe de ariete. La

temporizacin de los dos movimientos: lento el cierre del distribuidor y rpido la

apertura del orificio compensador se consigue en la regulacin automtica con un rele

hidrulica.

La pantalla deflectora lame permanente al chorro. Si la turbina Pelton se queda sin

carga, la pantalla deflectora automticamente se hunde en el chorro desvindolo en el

acto, con lo que se evita el embalamiento de la turbina. El golpe de ariete no se

produce, porque sigue circulando el agua por el inyector y la tubera forzada. A fin de

evitar la prdida de agua el inyector se cierra lentamente y su temporizacin se

consigue con la regulacin automtica.

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La chimenea de equilibrio se ha de colocar lo ms cerca posible de la central. La onda

elstica de sobrepresin no se propaga en la tubera que une la chimenea de equilibrio

con el embalse porque la onda se refleja en ella. Por tanto, la conduccin entre la

chimenea y el embalse sujeta a mucha menos presin puede construirse como un

tnel. Al mismo tiempo se reduce la longitud de la tubera entre la turbina y la

chimenea de equilibrio, con lo que el golpe de ariete queda aminorado.

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4. Etapas para un proyecto de una mini central hidroelctrica I. ETAPAS DEL PROYECTO

Inventario

Reconocimiento

Prefactibilidad o Localizacin de los sitios de obra o Informacin bsica

FACTIBILIDAD o Estimacin de la demanda o Encuestas o Potencia

Diseo II. ESTUDIOS DE PREFACTIBILIDAD

Pequea central hidroelctrica de Lopez de Micay o Generalidades o Localizacin o Descripcin de la planta o Observaciones a los estudios de prefactibilidad

Pequea central hidroelctrica de Mitu o Generalidades o Localizacin o Descripcin de la planta o Observaciones a los estudios de prefactibilidad

III. ESTUDIOS BSICOS

Cartografa

Topografa o Mtodo del nivel con manguera o Mtodo del nivel de carpintero o Mtodo del clinmetro o Mtodo del barmetro o Mtodo del profundmetro

Estudio geotcnico o Mecnica de suelos o Ubicacin de las obras y tipos de suelo o Materiales naturales de construccin o Mtodos para la investigacin geolgica o Mtodos de excavaciones y sondeo

Sondeo Perforacin Pozos de inspeccin

o Geologa y geomorfologa

Estudio hidrolgico o Caso 1: Si existe informacin

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Curva de caudales Hidrograma Curva de duracin de caudales Curva de frecuencias Caudal de diseo Curva de caudal contra calado Volumen de sedimentos

Medicin de sedimentos o Caso 2: Cuando hay registros pluviomtricos

Mtodo aritmtico Mtodo de los polgonos de Thiesen Mtodo de las isoyetas Caudal mximo

Triangular

Trapezoidal Caudal mnimo

o Caso 3: Si se cuenta con registros de una estacin cercana Transposicin de caudales

Potencial hidroenergtico o Principio y funcionamiento de una PCH

Potencia Energa

Estudio para la generacin de electricidad usando energa elica o Medicin de la velocidad del viento

Anemmetros totalizadores Mtodo de correlacin Instalacin de pequeos equipos elicos Adquisicin de datos en tiempo real

o Uso de la energa solar para la generacin de energa elctrica

Estudios para la aplicacin de dendroenerga y de diesel para la generacin de energa elctrica

IV. OBRAS CIVILES

Bocatomas o Partes de la bocatoma o Presa de derivacin o Tipos de bocatoma

Bocatoma tipo I Dimensionamiento

Bocatoma tipo II Dimensionamiento

Bocatoma tipo III Dimensionamiento

Canales de conduccin o Revestimiento de canales

Dimensionamiento

Aliviadero

Desarenadotes o Tipos de Desarenadores

Desarenadores de lavado intermitente Desarenadores de cmara doble Desarenadores de lavado continuo

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o Dimensionamiento

Tanque de presin

Dimensionamiento

Tubera de presin o Seleccin de la tubera de presin o Materiales

Acero comercial Policloruro de vinilo Hierro dctil centrifugado Asbesto-cemento Resina de polister con fibra de vidrio reforzado Polietileno de alta densidad

o Tipos de uniones Uniones con bridas Espiga y campana Uniones metlicas Uniones soldadas Juntas de expansin

o Dimetro de la tubera o Espesor de la tubera o Apoyos y anclajes o Golpe de ariete o Chimenea de equilibrio

Casa de mquinas o Ubicacin

Vlvulas o Vlvula mariposa o Vlvula de compuerta o Vlvula esfrica

Turbinas o Caractersticas generales de las turbinas

Turbina Pelton Turbina Michell-Banki Turbina Francis Turbina Axial Otras turbinas

Generadores

o Caractersticas generales

Alternadores

Generadores de induccin

V. ESTUDIOS AMBIENTALES

Diagnstico ambiental de alternativas

Estudio de impacto ambiental o Fases del estudio

Identificacin Prediccin Evaluacin de los impactos

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Atenuacin o Prefactibilidad o Caudal ecolgico

Mtodo Montana Mtodo de caudales progresivos

o Costos

Evaluacin socioeconmica o Anlisis de beneficios o Anlisis de ingresos y egresos

Ingresos del proyecto Egresos del proyecto

o Mtodos para el clculo de la rentabilidad Mtodos estticos para el clculo de la rentabilidad

Clculo comparativo de costos

Mtodo de comparacin de anualidades de costos

Clculo de la rentabilidad

Clculo del periodo esttico de amortizacin

Mtodo acumulativo

Mtodo de promedios Mtodos dinmicos para el clculo de la rentabilidad

Mtodo del valor actual de capital

Mtodo de la tasa interna, TIR

Mtodo de las anualidades

Mtodo de comparacin de anualidades de gastos

Clculo dinmico de amortizacin o La inflacin y la influencia sobre la rentabilidad o Anlisis de rentabilidad

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5. Bibliografa Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidralicas, Claudio Mataix, 1970

Centrales Hidroelectricas, Harper Enrriquez, 2000

Turbomquinas, Manuel Polo Encinas