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INGENIERIA DE LA
ENERGIA
HIDRAULICA
Mg. Amancio Rojas Flores
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La disponibilidad de la energía ha sido siempre esencial para la
humanidad que cada vez demanda más recursos energéticos para
cubrir sus necesidades de consumo y bienestar.
Las energías renovables que provienen de fuentes inagotables
como el Sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros
beneficios, son una de las piezas clave en la construcción de un
sistema de desarrollo sostenible.
Existe una concienciación cada vez mayor sobre los efectos
medioambientales que conlleva el actual sistema de desarrollo
económico, como son el cambio climático, la lluvia ácida o el
agujero de la capa de ozono
Actualmente las energías renovables han dejado de ser
tecnologías caras y minoritarias para ser plenamente
competitivas y eficaces de cara a cubrir las necesidades de la
demanda.
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EL BOMBEO
HIDRÁULICO
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EL BOMBEO HIDRÁULICO.
Uno de los factores que más reduce la actividad productiva del
sector rural peruano es que los sistemas de bombeo de agua
convencionales (moto-bomba eléctrica o combustibles fósiles)
utilizados para realizar dicho trabajo poseen un alto costo de
funcionamiento (costo de combustibles o electricidad) en
comparación con los escasos recursos económicos con los que
cuentan los campesinos.
El bombeo de agua y la energía renovable son socios
naturalmente compatibles que pueden crear soluciones
económicas para cualquier aplicación remota de bombeo y
transporte de agua.
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Los sistemas hidráulicos de bombeo de agua son equipos que
pueden abastecer de agua a pequeños poblados para el
consumo familiar o riego.
La fuerza que mueve el equipo de bombeo puede ser un
arroyo, un canal u otra forma de agua corriente que pueda
suministrar la energía suficiente para bombear agua a alturas
superiores.
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Funcionamiento del sistema.
Los equipos utilizados para bombeo de agua sin gasto de energía
eléctrica o combustible (convencional), utilizan la propia energía del
río o vertiente para ser accionados.
La configuración básica de estos sistemas de bombeo mediante
energía hidráulica consta de los siguientes componentes:
1) Represa de desviación o cámara de carga.
2) Tubería de carga.
3) Equipo de bombeo.
4) Tubería de alimentación.
5) Estanque de acumulación.
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Criterios para la selección de un sistema de bombeo
hidráulico.
Para la elección del tipo y tamaño de bomba hidráulica adecuado
deben considerarse los siguientes parámetros:
- Caudal de agua disponible del río o vertiente a utilizar, en litros por
segundo.
- Altura de caída vertical máxima o salto hidráulico: Distancia desde
donde se captara el agua hasta donde se ubicara el equipo de
bombeo, medida en metros.
- Altura de bombeo: Diferencia de altura vertical entre el equipo de
bombeo y el estanque de almacenamiento o punto del uso, en
metros.
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- Distancia de bombeo: Recorrido que realizará el agua bombeada
desde el equipo de bombeo hasta el estanque de almacenamiento,
medida en metros.
- Demanda de agua para el riego: agua requerida en litros por día
para su uso productivo.
• Caudal de agua disponible del río o vertiente a utilizar.
Esta medición debe realizarse preferentemente cuando el
recurso hidráulico sea el mínimo estacional conocido, ya que es
de gran importancia conocer con alguna seguridad el caudal del
recurso, para poder planificar la superficie a regar, especialmente
en los meses de máximo consumo.
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•Estimación de la altura de caída máxima o salto hidráulico
Cuanto mayor es el salto hidráulico, mayor será el potencial
energético para un mismo caudal, y en consecuencia, menor
será el tamaño requerido de la turbina para producir la misma
cantidad de energía.
Demanda de agua para el riego.
Aunque lo lógico es implementar un proyecto como respuesta a una
demanda de agua, no es imposible que se proceda de modo
inverso. La razones para ello consisten en que, además, de que el
recurso hidráulico ofrece un determinado caudal y salto hidráulico,
con sistemas de bombeo mediante energía renovable no se pueden
elevar grandes cantidades de caudal.
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Determinación de la potencia hidráulica disponible.
La potencia disponible de un recurso, dependerá del caudal, el
salto hidráulico y el rendimiento del equipo instalado. La
elección de los equipos dependerá fundamentalmente de las
características geográficas e hídricas disponibles.
Para realizar un cálculo aproximado del potencial energético se
pueden considerar los rendimientos de la Tabla
EQUIPO DE BOMBEO RENDIMIENTO (%)
Bomba de ariete
Rio – bomba
Turbo - bomba
20 – 25
30
50
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La siguiente ecuación permite estimar la potencia real en kW, a
obtener a la salida de la sala de máquinas
...10 QhPh
Donde:
Ph= Potencia hidráulica disponible (kW).
h = Salto hidráulico (m).
Q=Caudal (m3/s).
=Eficiencia del equipo (%).
Estimación del volumen diario de bombeo.
Hay tres factores principales que determinan la cantidad de
agua elevada por el sistema de bombeo en un sitio específico:
el caudal, el salto hidráulico y la altura de bombeo.
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La determinación de la altura total de bombeo, al igual que el
salto hidráulico, se realiza mediante análisis topográfico,
estableciendo la diferencia de nivel entre el punto seleccionado
para la captación del líquido hasta el sector donde se ubicará el
estaque de acumulación.
La cantidad de agua que elevará el recurso hidráulico diariamente
se puede calcular aproximadamente a partir de la siguiente
ecuación (GEA, 2004):
H
hxQVh 560.34
Donde: Vh =Cantidad diaria de agua elevada por el equipo de bombeo (l/día).
Q = Caudal del recurso hidráulico (l/s).
h = Salto hidráulico (m).
H = Altura de bombeo (m).
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RIO-BOMBA
La Río-bomba transforma la energía hidráulica del recurso hídrico
(río) en energía mecánica. Esto se logra utilizando como elemento
motor una rueda hidráulica con diversas innovaciones constructivas
y una bomba de desplazamiento positivo, dimensionada de acuerdo
al salto hidráulico y caudal del río a utilizar.
La rueda hidráulica aprovecha la energía cinética del agua que
circula por el río, arroyo o canal de poca pendiente. Mediante un
mecanismo de biela-manivela, el giro de la rueda se transforma en
movimiento lineal alternativo para accionar la bomba que eleva el
agua desde el río hasta el nivel de descarga deseado.
Es una alternativa de solución al problema de elevación de agua
cuando el agua que circula por el río, arroyo o canal, tiene poca
pendiente y no permite la instalación de bombas de ariete o turbo-
bombas.
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¿Qué ventajas posee?
• La Río-bomba es un mecanismo de bombeo de agua que utiliza la
misma energía hidráulica del estero o río del cual se alimenta, para
producir el trabajo de elevación de agua.
• Entrega un abastecimiento de agua eficiente, practico, seguro y
económico ante un suministro de agua en forma continua.
• No posee costos de funcionamiento.
• Posee un reducido costo de manutención y para realizarla no se
requiere mano de obra calificada.
• Es de fácil traslado y montaje, no se requiere gran inversión en
obras civiles que se relacionen con la instalación del mecanismo en
su lugar de trabajo.
• No genera residuos tóxicos, ni ruidos molestos en su
funcionamiento, es amigable con el medio ambiente.
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¿Dónde y cómo instalar el equipo?
El lugar de ubicación es en orillas de canales o pequeñas represas
donde se pueda instalar la Rio-bomba bajo con un pequeño desnivel
(de 1 hasta 2,5 metros).
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Accionamiento de la Río-bomba
La entrada del agua que acciona la rueda hidráulica puede
ubicarse de 2 maneras, por encima o por la mitad de ella.
La mejor forma de accionamiento es por encima, ya que el agua
inunda el 50 % de la rueda y permanece más tiempo en ella lo que
genera mas potencia de bombeo. El ducto (tubo u canaleta) que
conduce el agua a la rueda debe estar centrada y a 10 cm. de la
parte superior de esta, con una inclinación de 2 a 5 grados.
El accionamiento por la parte media de la rueda no es recomendable
ya que el agua inunda solo el 25 % de ella y se mantiene por menos
tiempo en su interior lo que reduce gran parte la potencia de la Rió-
bomba. Solo es recomendable cuando las condiciones topográficas
(naturales o artificialmente creadas) no periten instalar el ducto de
accionamiento por encima.
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Condiciones ideales de operación
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Canal-Bomba
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TURBOBOMBA
La Turbo-bomba transforma la energía hidráulica del recurso
hídrico en energía mecánica para saltos de agua superiores a
los 8 metros de altura.
Esto se logra utilizando como elemento motor una bomba
centrífuga en funcionamiento inverso y una bomba de
desplazamiento positivo, dimensionada de acuerdo a las
necesidades de bombeo y las características hidráulicas
Condiciones ideales de operación
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AEROBOMBAS
Estas máquinas transforman
la energía eolica en energía
mecánica.
Esto se consigue mediante
un rotor que gira movido por
el arrastre de la velocidad
del viento .
Por medio de una
transmisión de biela-
manivela, se impulsa una
bomba de pistón que a su
vez eleva el agua.
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I.- ROTOR
II.- TORNAMESA
III.- VELETA
IV.- TRANSMISIÓN
V.- TORRE
VI.- BOMBA
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BOMBAS MANUALES
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La bomba de ariete es una máquina sencilla que opera bajo el
principio de aprovechamiento del golpe de ariete, fenómeno
hidrodinámico producido por la detención brusca de una corriente
de agua confinada en una tubería rígida.
Este fenómeno trae como consecuencia la creación de una onda de
alta presión, originada en el lugar en que se produce la detención,
que viaja por la tubería.
Esta onda posee una presión varias veces mayor que la existente
antes de la detención, provocando que el agua fluya hacia el
estanque de acumulación
Utilizando adecuadamente este efecto, es posible elevar agua hasta
una altura varias veces mayor que la caída original, únicamente
mediante la energía de la corriente de agua.
Bombas de ariete
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Condiciones ideales de operación