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Manualpara la evaluacin de la

demanda, recursos hdricos,

diseo e instalacinde microcentraleshidroelctricas.


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Dvila, C.; Vilar, D.; Villanueva, G.; Quiroz, L.

Manual para la evaluacin de la demanda, recursos hdricos, diseo einstalacin de microcentrales hidroelctricas. Lima: Soluciones Prcticas,2010.

200 p.: il

ENERGA HIDRULICA / RECURSOS HDRICOS/ TECNOLOGA DE LA ENERGA/ TECNOLOGA DE LA ENERGA / INGENIERIA HIDRALICA / INGENIERIA CIVIL/ ELECTRICIDAD / ENERGA ELCTRICA

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Clasificacin SATIS. Descriptores OCDE

ISBN: 978-9972-47-210-5

Hecho el depsito legal en la Biblioteca Nacional del Per N 2009- 09070

Primera edicin: 2010Soluciones PrcticasRazn social: Intermediate Technology Development Group, ITDGDomicilio: Av. Jorge Chvez 275, Miraflores. Casilla postal 18-0620 Lima 18, PerTelfonos: (51-1) 444-7055, 242-9714, 447-5127 Fax: (51-1) 446-6621

Correo-e: info@solucionespracticas.org.pewww.solucionespracticas.org.pewww.cedecap.org.pe

Autores: Celso Dvila, David Vilar, Gilberto Villanueva, Luis QuirozEditor cientfico: Enric VeloCoordinacin: Francis Salas, Rafael EscobarCorreccin de estilo y edicin: Mario CossoCartula y lnea grfica: Claudia RospigliosiDiagramacin: Vctor Herrera, Miluska Ruiz de Castilla

Impreso por: Forma e ImagenProducido en Per, setiembre de 2010


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ndice

Presentacin 15

Introduccin 17

Tema 1:Estimacin de la demanda 191.1. Metodologa 19

1.2. Estimacin de la demanda actual 20

1.2.1. Informacin bsica 20

1.2.2. Clculo de la demanda actual 20

1.2.3. Estimacin de la demanda futura 30

1.2.4. Curva de carga 31

1.3. Bibliografa 32

Tema 2: Evaluacin de recursos hidroenergticos 332.1. Medicin de altura, salto o cada 33

2.1.1. Mtodo de la manguera de nivelacin 352.1.2. Mtodo de la manguera y manmetro 37

2.1.3. Mtodo del nivel de carpintero y reglas 39

2.1.4. Mtodo del altmetro 40

2.1.5. Mtodo del eclmetro y wincha 41

2.1.6. Mtodo del nivel de ingeniero 42

2.2. Medicin del caudal 44

2.2.1. Mtodo de la solucin de sal 45

2.2.2. Mtodo del recipiente 50

2.2.3. Mtodo del rea y velocidad (flotador) 52

2.2.4. Medidores de corriente o correntmetros 572.2.5. Mtodo de la seccin de control y regla graduada 57

2.2.6. Mtodo del vertedero de pared delgada 58

Tema 3: Canales y desarenador 613.1. Canales 61

3.1.1. Tipos de canales 61

3.1.2. Seccin y ngulo del talud del canal 62

3.1.3. Elementos de un canal 65

3.1.4. Diseo de un canal 67

3.1.5. Revestimiento de canales por el mtodo de las cerchas 693.1.6. Prdida por filtracin y eleccin de tipo de canal 70

3.2. Desarenadores 77

3.2.1. Ancho y longitud del desarenador 80

3.2.2. Tanque colector del desarenador 82

3.2.3. Tendencia al desplazamiento y turbulencia 82

3.2.4. Diseo de un desarenador 83

3.2.5. Limpieza de desarenadores y corte del agua 85

3.2.6. Secciones de ingreso del desarenador 85


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Evaluacin de la demanda, recursos hdricos, diseo e instalacin de microcentrales hidroelctricas8 /

Tema 4: Cmara de carga y tubera de presin 894.1. Cmaras de carga 89

4.2. Tubera de presin 101

4.2.1. Materiales 104

4.2.2. Diseo hidrulico 107

4.2.3. Clculo del dimetro de la tubera 115

4.2.4. Fenmenos transitorios: golpe de ariete 1174.2.5. Seleccin de la tubera de presin 127

4.3. Bibliografa 142

Tema 5: Equipo electromecnico 1435.1. Seleccin de turbinas hidrulicas para microcentrales hidroelctricas 143

5.1.1. Clasificacin de las turbinas hidrulicas 143

5.2. Caractersticas de funcionamiento de las turbinas hidrulicas 152

5.2.1. Turbinas tipo Pelton 152

5.2.2. Turbina de flujo transversal (Michell-Banki) 154

5.2.3. Bombas usadas como turbinas 1575.2.4. Turbinas Francis, Kaplan y de hlice 158

5.2.5. Funcionamiento de las centrales hidrulicas a cargas parciales 159

5.2.6. Seleccin de turbinas hidrulicas 160

5.2.7. Seleccin mediante el concepto de velocidad especifica 161

5.2.8. Seleccin mediante grficos de altura y caudal 164

5.3. Tecnologas desarrolladas y promovidas por Soluciones Prcticas 165

5.4. Ejercicios 165

5.5. Bibliografa 165

Tema 6: Recepcin de equipos y pruebas 1676.1. Alcances y procedimiento de las pruebas 1676.1.1. Alcances 167

6.1.2. Personal encargado de las pruebas 167

6.1.3. Responsabilidades 167

6.1.4. Procedimiento de las pruebas y mtodos de medicin 168

6.1.5. Informe de los resultados de prueba in situ 168

6.2. Relacin de pruebas 168

6.2.1. Prueba hidrosttica y prueba de estanqueidad mediante llenado deagua de la tubera de presin y verificacin de fugas 168

6.2.2. Datos tcnicos del equipo turbina-alternador 169

6.2.3. Inspeccin ocular de los equipos y elementos auxiliares 172

6.2.4. Mediciones y comprobaciones 176

6.2.5. Operacin en vaco del equipo turbina-alternador 177

6.2.6. Simulacin de operacin del sistema de proteccin 177

6.2.7. Operacin con carga del equipo turbina-alternador 179

6.2.8. Golpe de ariete por retiro de carga 181

6.2.9. Funcionamiento del grupo a potencia nominal.

Mediciones de temperatura 182

6.2.10. Pruebas de sincronizacin 183

6.2.11. Energizacin de redes. Puesta en servicio 183

6.2.12. Registro del estado inicial y final en las pruebas 184


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Tema 7: Control y regulacin de microcentrales 1877.1. Generalidades 187

7.1.1. Introduccin 187

7.1.2. Trminos bsicos 187

7.2. Proteccin 188

7.2.1. Generalidades 188

7.2.2. Funcionamiento defectuoso. Consideraciones 188

7.2.3. Dispositivos usados en un sistema de proteccin 191

7.3. Control 192


7.3.2. Unidad de control 192

7.3.3. Conexin de unidades generadoras a una red comercial 193

7.3.4. Control e instrumentacin 194

7.3.5. Vnculos de comunicacin 194

7.4. Operacin 195


7.4.2. Operacin del sistema elctrico 195

7.4.3. Interfase del proyecto con el sistema elctrico 196

ndice de cuadros

Cuadro 1.Equipamiento domstico en el ao de inicio 27

Cuadro 2. Clculo de la potencia requerida 28

Cuadro 3. Clculo de la potencia de conexin

y de la demanda de punta en el ao de inicio 29

ndice de figuras

Figura 1. Diagrama de carga para San Antonio de Lpez (ao 15) 32

Figura 2. Salto entre la cmara de carga y la turbina 33

Figura 3. Determinacin de la altura con manguera de nivelacin 36

Figura 4. Modelo de tabla de registro de datos 36Figura 5. Medicin de altura usando manguera y manmetro 37

Figura 6. Calibracin del manmetro 38

Figura 7. Determinacin de la altura con nivel de carpintero 39

Figura 8. Uso del altmetro para medir la altura 40

Figura 9. Determinacin de la altura usando eclmetro y wincha 42

Figura 10. Clculo de la altura con nivel de ingeniero 44

Figura 11. Mtodo de la solucin de sal 45

Figura 12. Medidor de la conductividad con sensores 47

Figura 13.rea bajo la curva y factor de correccin 48

Figura 14. Tipos de grficos obtenidos 48

6.3. Equipos y herramientas necesarios para las pruebas 185

6.4. Acta de inspeccin y pruebas 185


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Figura 15. Medida del caudal usando el mtodo del recipiente 50

Figura 16. Volumen de un cilindro 51

Figura 17. Volumen de un tronco-cnico 52

Figura 18. Seccin transversal de la corriente 53

Figura 19. Regla graduada en una seccin de control 57

Figura 20. Tipos y frmulas para clculo del caudal en los tres tipos de vertederos 58

Figura 21. Tipos de canales 62Figura 22. Dimensiones de un canal y desnivel total 65

Figura 23. Elementos de un canal 65

Figura 24. Vista del permetro de un canal 66

Figura 25. Fijacin de las cerchas 69

Figura 26. Canal revestido con cerchas 70

Figura 27. Medicin de la permeabilidad del terreno 71

Figura 28. Canal de tierra 73

Figura 29.Canal de mampostera de piedra 74

Figura 30. Canal de tubera 74

Figura 31. Canal de concreto empotrado en talud 75Figura 32. Pase de canal en quebrada 75

Figura 33. Pase de canal en arroyo 76

Figura 34. Esquema de un desarenador al inicio del canal 78

Figura 35. Esquema de un desarenador llegando a la cmara 79

Figura 36. Trayectoria de las partculas en un desarenador 81

Figura 37. Observaciones en el diseo de desarenadores 82

Figura 38. Desarenadores con deflectores y con muros directrices 83

Figura 39. Desage de limpieza y aliviadero 85

Figura 40. Desarenador al inicio del canal 86

Figura 41. Desarenador a la entrada de la cmara 87Figura 42. Diferentes secciones de una cmara de carga 90

Figura 43. Descargador, vertedero y rejilla 90

Figura 44. Coeficiente de prdida de carga para diferentes disposiciones

de entrada a la tubera 91

Figura 45. Flujo asimtrico y simtrico en la entrada de la tubera 92

Figura 46. Altura mnima entre el eje de ingreso a la tubera

y el nivel de agua en la cmara 93

Figura 47. Valores de los parmetros para entradas con problemas y sin problemas 94

Figura 48. Elemento flotante a manera de rejilla 95

Figura 49. Entrada encapuchada con una pantalla 95Figura 50. Rejas fabricadas de barras de seccin rectangular 96

Figura 51. Placa perforada 97

Figura 52. Rejas inclinadas 98

Figura 53. Coeficiente dependiente de la forma de la barra 99

Figura 54. Coeficiente de contraccin dependiente de la forma de la barra 99

Figura 55. Diseo simple que incorpora todos los componentes

bsicos que requiere una cmara de carga 100

Figura 56. Diseo con descarga cilndrica 101

Figura 57. Elementos de la tubera de presin 102

Figura 58. Anclajes y apoyos 103


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Figura 59. Anillos de soporte 103

Figura 60. Tubo de acero estirado con uniones de enchufe y espiga

y anillos de cierre o con bridas soldadas 105

Figura 61. Perfiles de flujo 108

Figura 62. Trminos de la ecuacin de Bernoulli en el flujo

por el interior de un conducto 110

Figura 63. Diagrama de Moody 112Figura 64. Flujo en un codo de tubera 114

Figura 65. Valores del coeficientes (kv) para diferentes vlvulas 115

Figura 66. Prdidas desde la cmara de carga hasta la turbina 116

Figura 67. Dimetro ptimo en funcin del costo 117

Figura 68. Instalacin sencilla de alimentacin de una turbina 118

Figura 69. Golpe de ariete 0 t


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Figura 99.Rodete de turbina Francis 148

Figura 100. Rodete de turbina Michell-Banki 149

Figura 101. Bombas funcionando como turbinas 149

Figura 102. Rodete de turbina axial 150

Figura 103. Turbina de ro instalada en el ro Napo 151

Figura 104. Turbinas tipo tornillo de Arqumedes 151

Figura 105. Eficiencia (en porcentaje) de una turbina de flujo cruzadopara diferentes cargas 156

Figura 106. Rendimiento de las turbinas en funcin de la carga 159

Figura 107. Rodetes de turbinas y velocidades especficas 162

Figura 108. Seccin de turbinas 164

Figura 109. Esquema modelo de proteccin 197

ndice de tablas

Tabla 1. Demanda para distintas poblaciones 21Tabla 2.Clculo de la demanda 22

Tabla 3. Potencia media de algunos equipos 23

Tabla 4. Evaluacin de la demanda actual 24

Tabla 5. Periodos de actividad 26

Tabla 6. Crecimiento de la demanda por potencia y por energa 30

Tabla 7. Comparacin de tcnicas de medicin 34

Tabla 8. Lecturas en cmara de carga y casa de mquinas 40

Tabla 9. Registro de datos (I) 42

Tabla 10.Registro de datos (II) 43

Tabla 11. Valores de k segn la relacin s/p y material del riachuelo 54Tabla 12. Valores de k segn la profundidad y el material del riachuelo 54

Tabla 13. Mediciones y resultados con vertedero rectangular en litros/segundo 59

Tabla 14. Talud recomendado para canales de seccin trapezoidal 62

Tabla 15. Velocidad mxima recomendada 63

Tabla 16. Coeficiente de rugosidad 64

Tabla 17. Velocidades mnimas recomendadas para evitar sedimentacin 67

Tabla 18. Caractersticas de las secciones transversales 67

Tabla 19. Clculos de prdidas por infiltracin 71

Tabla 20. Velocidad de decantacin de partculas de arena 84

Tabla 21. Materiales utilizados en tuberas forzadas 107Tabla 22. Altura de rugosidad para diversos tubos comerciales 113

Tabla 23. Mdulo elstico de materiales de tuberas 125

Tabla 24. Espaciamiento entre apoyos (m) para tuberas de acero comercial 128

Tabla 25. Coeficiente de friccin para diferentes materiales 130

Tabla 26. Valor de n segn el nmero de pares de polos

y la frecuencia de trabajo 153

Tabla 27. Valor del coeficiente Kaen funcin depara 1= 16 157

Tabla 28. Ventajas y desventajas de las turbinas de accin y reaccin 159

Tabla 29. Turbinas hidrulicas y velocidades especficas 163

Tabla 30. Generalidades. Verificacin del montaje e instalaciones 172Tabla 31. Turbina 173


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Tabla 32. Unidad hidrulica de la vlvula mariposa 173

Tabla 33. Generador 173

Tabla 34. Tablero elctrico 174

Tabla 35. Regulador electrnico de carga 174

Tabla 36. Cableado elctrico 174

Tabla 37. Carga falsa (Dummy Load) 175

Tabla 38. Cargador de batera y bateras 175Tabla 39. Subestacin elevadora 175

Tabla 40. Resistencia de malla de tierra 176

Tabla 41. Resistencia de aislamiento 176

Tabla 42. Medicin de la resistencia de la carga simulada 176

Tabla 43.Comprobacin de nivelacin y alineamiento del grupo 177

Tabla 44. Operacin de la vlvula de admisin 177

Tabla 45. Pruebas de generacin del equipo turbina-alternador 180

Tabla 46. Medicin de potencia. Turbina tipo bomba reversible 180

Tabla 47. Medicin de entrada de carga 181

Tabla 48. Medicin de temperatura 182Tabla 49. Prueba de sincronizacin 183

Tabla 50. Puesta en servicio. Energizacin de redes 183

Tabla 51. Registro del estado inicial y final en las pruebas 184

Tabla 52. Leyenda de la figura 198


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Aproximadamente dos de cada tres personas en el mundo solo tienen quepulsar un interruptor para prender las luces, el televisor, computadoras,herramientas, maquinaria y otros muchos aparatos. Esta simple accin lespermite estar informadas y entretenidas, participando en el mundo productivo.Pero el resto de la poblacin mundial, aproximadamente unos 1 650 millones depersonas, mayoritariamente en el mbito rural, no tienen acceso a las ventajas yoportunidades que la energa elctrica supondra para su desarrollo.

Poner la tecnologa al servicio del desarrollo humano sostenible y al servicio del

logro de las Metas de desarrollo del Milenio es un mandato de la Organizacin delas Naciones Unidas al que pretendemos contribuir quienes hemos participadoen la elaboracin del presente manual. Hablar de energa en este contexto eshablar de energa sostenible tal y como la define el World Energy Assessment(PNUD, 2001): energa producida y utilizada de forma que sustenta el desarrollohumano en todas sus dimensiones, sociales, econmicas y medioambientales.Situar las tecnologas energticas en este marco referencial supone potenciarlas estrategias que hacen que determinadas soluciones tcnicas contribuyan adignificar la vida de las personas y a ampliar su horizonte de oportunidades.

Soluciones Prcticas ha contribuido, desde su aparicin en Latinoamrica, a

potenciar las mencionadas estrategias. El libro que tenis en vuestras manoses el fruto del trabajo realizado en el campo del uso de las energas renovablespara la electrificacin rural, concretamente en la tecnologa de las microcentraleshidroelctricas.

Aunque el libro ha sido enfocado como manual de apoyo a la capacitacin enel mbito tecnolgico, estamos convencidos de que ser de utilidad para unamplio sector, incluyendo a los planificadores y a los responsables de polticasde desarrollo. Como apunta D. Barnes en The Challenge of Rural Electrification,no existen soluciones simples ni frmulas mgicas para conseguir que losprogramas de electrificacin rural sean un xito, por tanto, para conseguirlo,

los pases han de seguir un conjunto de principios que, aunque bien definidos,sean flexibles. Estamos convencidos de que incluir la energa microhidrulica enla cartera de soluciones apropiadas y sostenibles no solo es una poltica de xitoen el objetivo de ampliar la frontera elctrica en zonas aisladas, sino que tambinlo ser en un futuro prximo, como aporte a la generacin elctrica distribuida enlos pases industrializados.

Enric VeloBarcelona, 16 de agosto de 2010

PRESENTACIN


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El Manual para la evaluacin de la demanda, recursos hdricos, diseo e instalacinde microcentrales hidroelctricas es el resultado de un trabajo compartido entreSoluciones Prcticas, a travs de su Centro de demostracin y capacitacin entecnologas apropiadas (Cedecap), y la Organizacin latinoamericana de energa- Ecuador (OLADE), con la perspectiva de promover las energa renovables enAmrica Latina.

Los contenidos desarrollados en este libro son el resultado de una experiencia deincursin en el mundo de la capacitacin online. El curso desarrollado, llamadoEvaluacin, diseo, implementacin y gestin de microcentrales hidrulicas, tuvolugar entre el 6 y el 29 octubre de 2008. Este curso, asimilado ya en la programacinde capacitacin regular del Cedecap, permiti unir a las dos institucionesparticipantes y ofrecer a 450 profesionales de 25 pases de Amrica Latina y elCaribe, socios de OLADE, acceso a capacitacin en promocin del acceso a laenerga en localidades rurales.

El desarrollo del curso cont con la participacin de especialistas del Cedecap,apoyados por tcnicos de la Red latinoamericana de hidroenerga (Hidrored), yfue posible gracias a la plataforma virtual de OLADE, donde se intercambiaronexperiencias e ideas para la formacin de los tcnicos participantes.

Un dato particular del evento fue su organizacin, que tuvo dos fases: unaprimera de formacin virtual, donde se dieron pautas conceptuales, criterios para

el desarrollo de los temas planteados; y una segunda, mediante una pasanta decinco alumnos procedentes de Costa Rica, Uruguay, Paraguay, Panam y Mxico.El manual que presentamos se limita al desarrollo de la primera fase.

Los contenidos vertidos aqu son fruto de la larga experiencia de SolucionesPrcticas e Hidrored en el campo de la microhidroenerga y contiene ejemplosmuy prcticos para la evaluacin de la demanda y el diseo de pequeasmicrocentrales.

Queremos expresar nuestro agradecimiento a Victorio Oxila, responsable delrea de capacitacin de OLADE; a Miguel Castro, responsable de ISF Catalunya enAmrica Latina. Tambin deseamos expresar nuestro sincero agradecimiento aTeodoro Snchez y Mauricio Gneco, miembros de Hidrored, por su aporte en estecurso.

Rafael EscobarDirector

Centro de demostracin y capacitacin en tecnologas apropiadas

INTRODUCCIN


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ESTIMACIN DE

LA DEMANDAEl anlisis de la demanda es un aspecto importante para el diseo o estudio deuna micro o minicentral hidroelctrica. Sus resultados deben aportar el consumoactual de la poblacin a la que se desea suministrar energa, y con estos, proyectarla demanda durante un periodo de tiempo segn necesidad.

Por tratarse de un anlisis en zonas rurales aisladas, donde las poblaciones seencuentran alejadas de los grandes servicios interconectados y muchas vecesan sin servicio elctrico alguno, no es posible aplicar los mtodos tradicionales

para la estimacin de la demanda futura de un pas como la extrapolacin de lademanda anterior o modelos economtricos en base a indicadores nacionales odepartamentales.

Cada regin aislada tiene sus propias caractersticas de densidad, crecimientopoblacional, infraestructura, servicios existentes, recursos naturales y potencialesde produccin. Por lo tanto, cada regin aislada prevista para la electrificacinnecesita una evaluacin particular de su potencial de desarrollo y su futurademanda de energa elctrica, tanto en gabinete como en campo.

En este sentido, el presente documento busca establecer recomendacionesy lineamientos para la evaluacin de la demanda en pequeos sistemasaislados.

1.1. MetodologaEl trabajo se realiza en dos etapas. La primera etapa, en el gabinete, incluye lapreparacin de materiales y herramientas para el estudio de campo. La segundaetapa es de trabajo de campo. Las tareas de cada etapa son:

Trabajo en gabinete: Bsqueda de mapas de ubicacin y topografa de la zona de trabajo

Ubicacin e identificacin de las vas de acceso y las facilidades detransporte

Ubicacin y levantamiento de informacin estadstica sobre la poblacin delas localidades involucradas en el proyecto, nmero de viviendas, serviciosbsicos existentes y otros

Preparacin de fichas de encuestas: caractersticas domiciliarias, principalesactividades, produccin, ingresos, gasto actual en energa, acceso de la

poblacin

Tema 1


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Trabajo de campo:

Coordinacin con las autoridades, lderes locales y representantes de lasorganizaciones de base

Entrevistas a las autoridades para conocer sus planes de desarrollo

Evaluacin del grado de organizacin de las diferentes instancias que

participan en el proceso Encuestas

Identificacin de las instituciones pblicas, servicios bsicos existentes,negocios e industrias

Realizacin de talleres de identificacin de necesidades y demandas

Preparacin de la poblacin para un adecuado uso de la electricidad en lamejora de las actividades tradicionales de la comunidad

Verificacin de los proyectos ejecutados y en gestin

1.2. Estimacin de la demanda actualEl suministro de energa elctrica tiene el propsito mejorar las condiciones devida del usuario al ofertar energa para el uso domstico y productivo con unservicio confiable durante todo el ao. Por esta razn, es necesario que se tengauna idea clara del estado energtico la comunidad, adems de otros factorescomo la situacin econmica, productividad y perspectivas para el desarrollo deesta, pues la energa elctrica trae no solamente beneficios paras los usuarios,sino tambin obligaciones.

> 1.2.1. Informacin bsica

Con el fin de identificar la demanda actual de la comunidad o centro poblado alque se planea suministrar energa, se debe conocer informacin que refleje elconsumo energtico:

Poblacin

Tasa de crecimiento intercensal

Nmero de viviendas o usuarios

Capacidad instalada en negocios, talleres, servicios, industria

> 1.2.2. Clculo de la demanda actual

En pequeos sistemas aislados rurales, la estimacin de la demanda actual serealiza generalmente en base a la potencia, es decir a la demanda mxima depotencia. A continuacin se presentan dos mtodos basados en la potencia y unmtodo que incluye un anlisis mayor en trminos de consumo de energa.


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En segundo lugar, se corrige la demanda de acuerdo a las caractersticas socialesde la comunidad o centro poblado (ingresos, acceso a mercados, negocios,industrias, etc.)

b. Mtodo aplicado por Soluciones Prcticas

El mtodo considera cuatro tipos de cargas, con los siguientes detalles:

Demanda domstica: demanda residencial, estimando una potencia de

entre 250 y 400 W/vivienda. Se toma en cuenta su ubicacin geogrfica,tamao promedio de las viviendas, nmero y tipo de focos a utilizar,equipos electrodomsticos y otros

Demanda institucional: se estima una potencia en base a las institucionesexistentes (escuelas, postas de salud, municipio, local comunal, iglesia)

Demanda industrial: se basa en las industrias y su posible tecnificacincon el apoyo de la energa elctrica (bodegas, hoteles, carpinteras,aserraderos, peladoras de arroz). En pequeos centros poblados, estademanda es mnima o nula, sin embargo de acuerdo a las caractersticas

del centro poblado, su ubicacin y produccin se puede estimar unademanda de potencia

Tabla 1. Demanda para distintas poblaciones

Poblacin (habitantes) Demanda de potencia (kW)

500 a 1 000 15-35

1 000 a 2 000 35-80

2 000 a 4 000 80-1804 000 a 10 000 180-500

10 000 a 20 000 500-1 200

a. Mtodo de Nosaki

Mtodo emprico basado en el anlisis de experiencias pasadas puede servir pararealizar una estimacin rpida de la demanda actual. El mtodo asume que lapotencia instalada per cpita tiene un rango total que depende del nmero dehabitantes. Para calcular la demanda promedio, se promedia el valor ms alto yel ms bajo de los rangos establecidos por poblaciones.

En primer lugar, se considera la demanda proporcionada por latabla 1en funcindel nmero de habitantes. Calculemos la demanda de un centro poblado de 750habitantes.

Demanda actual(15 + 35)

25 kW

2= =

/21


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Al resultado final, la mayor potencia hallada en uno de los horarios (diurno onocturno), se suman las prdidas en las redes de transmisin elctrica (entre 5 y10 %), lo que nos dar la demanda actual a considerar en el diseo del sistema.

c. Mtodo de demanda de energa

Es un mtodo ms riguroso, que requiere mayor informacin acerca de lasactividades de la comunidad o centro poblado:

Actividades en el hogar: hora de acostarse, levantarse, preparar losalimentos, etc.

Actividades industriales y comerciales: agricultura, industria maderera,pesca, ganadera, minera, bodegas, restaurantes, hoteles y otros

Servicios pblicos: colegios, escuelas, salud, comunicaciones, agua ysaneamiento

Tabla 2. Clculo de la demanda

Tipo decarga

Potenciamxima

(kW)

Carga diurna Carga nocturna

fs fu kW fs fu kW

Domstica

Institucional

Industrial

Alumbradopblico

Total diurnoTotal

nocturno

Alumbrado pblico: esta carga est compuesta por el nmero deluminarias que se quiere instalar para este servicio

Toda esta informacin es vaciada en una tabla en la que se incluirn factoresde simultaneidad y uso (ver tabla 2). No todas las demandas se producen

simultneamente y es claro que de acuerdo al grado de pobreza o desarrollo,el consumo industrial variar durante la noche. Esto nos lleva a considerar unademanda diurna y una nocturna. Hay dos factores a considerar:

Factor de simultaneidad (fs): es la posibilidad de que un nmero de usuariosutilicen el mismo equipo en el mismo momento, vara entre 0 y 1

Factor de uso (fu): es la intensidad en el uso de los equipos, vara entre0 y 1


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/23

Toda la informacin obtenida es vaciada en la tabla 4.En su segunda columna secoloca la potencia del equipo elctrico a utilizar. La tercera columna correspondeal coeficiente de simultaneidad (CS), este valor es directamente proporcional

al nmero de usuarios, tipo de actividad y horario de uso. La cuarta columnaes el nmero de usuarios: residenciales, industriales, comerciales o serviciospblicos.

Tabla 3. Potencia media de algunos equiposTipo Potencia (kW)

ResidencialRefrigeradorTelevisorRadiograbadoraEquipo de sonidoLicuadoraVentiladorMquina de coser

PlanchaRadio, telfonoCocina elctrica (por boquilla)

25010040

100200100100

1 000-1 500100

1 000-1 500

AgroindustriaAserraderoCarpinteraTrapicheTelaresMolino de granosBeneficiarios de caf

Molinos de canterasFbricas de hieloMatadero o molino de pescadoCuarto fro o cmara de refrigeracinBombeo

30-603-15

10-202-6

3-205-30

6-306-605-106-60

2- 100

Con la informacin recabada se obtiene una visin de las necesidades de lacomunidad y puede asignarse una demanda o potencia elctrica a cada una deellas, en lo que respecta a cada uno de los sectores:

Demanda residencial: se debe tomar una vivienda representativa yproyectarla hacia el total de las viviendas. La informacin de la demandaresidencial se dividir en: iluminacin; conservacin y preparacin dealimentos y; recreacin y comodidades

Demanda industrial y comercial: se pueden prever casos individuales deacuerdo al tipo de industria y considerar, segn sea el caso, una muestrarepresentativa de una industria mayoritaria, si fuera necesario. Algunosdatos de la demanda industrial se pueden ver en la tabla 3

Servicios pblicos: la energa elctrica aportar soluciones en materia desalud, educacin, comunicaciones y alumbrado pblico


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Tabla4.Evaluac

indelademandaactual

Utilidad

Potenc

ia

(W)

CS(%)

N

Horariodeuso(en

horas)

kWh

0-5

5-7

7-11

11-13

13-1

7

17-19

19-21

21-24

Da

Ao

Residencial

Iluminacin

Conservacinde

alimentos

Recreaciny

comodidades

Otr

osusos

Totalresidencial

Industrialycomercial

Mo

tores

Refrigeradoras

Hornos

Ilum

inacin


25/200

/25

Otros

Totalindustrialy

comercial

Serv

iciospblicos

Salu

d

Educ

acin

Com

unicaciones

Alum

bradopblico

Otrosservicios

pblicos

Totaldeservicios

pbl

icos

Totalfinal


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Tabla 5. Periodos de actividad

Periodo Actividad

0-5 Descanso

5-7 Desayuno

7-11 Actividad industrial

11-13 Almuerzo

13-17 Actividad industrial

17-19 Comida

19-21 Recreacin

21-24 Descanso

El horario de uso (24 horas), est dividido en periodos segn la actividad de lacomunidad. Esta divisin se obtiene de la informacin recogida en campo. En latabla 5se consider la siguiente distribucin:

La demanda potencial en un periodo correspondiente a una actividad dada en latabla 5se obtiene como el producto de la potencia del equipo elctrico usado enese periodo por el coeficiente de la simultaneidad, multiplicado por el nmero deusuarios. El total de la demanda potencial del periodo en mencin ser la sumade todas las demandas potenciales, de forma que al final se obtendr el total de

la demanda en cada periodo de horas, denominndose la hora de mayor valordemanda pico.

d. Clculo de la demanda con el mtodo REA

El mtodo de la REA (Rural Electricity Administration o Administracin de electrici-dad rural de los Estados Unidos de Norteamrica), se basa en dos factores:

Factor A: Nmero de familias beneficiadas de la siguiente manera:

1 0.4 0.4 ( 40)Fac A N N N 2 0.5= - + +# # #6 @Donde:

N = nmero de familias beneficiadas por categora

Factor B: Consumo especfico por beneficiario

0.005925Fac B C 0.885esp= # ^ h

Donde:

Cesp= consumo especfico


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/27

Ejemplo: calcular la demanda de la categora residencial para la comunidad deSan Antonio de Lpez (Potos, Bolivia):En primer lugar, se debe hallar el consumo especfico por beneficiario de lasiguiente manera:

El consumo especfico se determina de la siguiente manera:

Cesp

= 1.36 kWh/da-beneficiario x 30 das = 40.8 [kWh/mes-beneficiario]

El factor de demanda se determina en base al uso de los equipos, esto dependede las costumbres de la poblacin. Con el consumo especfico y el nmero debeneficiarios, se determina la demanda mxima.En el ejemplo, el factor A ser: Fac A = 68El factor B ser: Fac B = 0.16

A continuacin, se muestra la demanda para la zona del proyecto en la categoraresidencial:

Pot. mx. = 68 x 0.16 = 10.8 [kW]

En cuanto al consumo de energa por ao es:E = 12 x 60 x 40.8 = 29 376 [kWh/ao]

De la misma manera se determina la demanda para las otras categoras. En

el siguiente cuadro se muestra la demanda de potencia y energa del sistemapara la comunidad de San Antonio de Lpez:

Cuadro 1. Equipamiento domstico en el ao de inicio

DescripcinPotenciainstalada

(W)Fd

Demandamxima

(W)

Periodo defuncionamiento

(h)

Tiempode uso

(h)

Energa(kWh/

da)

Iluminacin 160 0.75 120 4-8

18-22 8 0.96

Radio 20 1.0 20 5-9

17-21 8 0.16

Televisor 60 1.0 60 18-23 5 0.24

Total 240 200 - 21 1.36

La demanda para el ao de inicio se obtiene multiplicando ambos factores:

Pot max Fac A Fac B [kW]= $

En cuanto al consumo de energa por ao (consumo anual), se obtiene a partir dela siguiente ecuacin:

E 12 N C [kWh/ao]esp= # #


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e. Clculo de la demanda propuesto por PPL/GTZ

Para determinar la demanda a travs de este mtodo se deben considerar variosfactores, como la curva de demanda en base a los requerimientos, el factor desimultaneidad, ndice de cobertura y tiempo de utilizacin de los artefactos. Ladeterminacin del factor de simultaneidad del conjunto de equipos que poseenuna determinada familia se realiza a partir de la potencia instalada y la potenciamxima de utilizacin, con la siguiente frmula:

fP

Pmaxs

ins

=

Para un mayor consumo, las curvas de demanda de los consumidores individualesse solapan y forman una curva global. La curva de punta de red no es idntica a

la suma de las cargas de punta individuales, porque la probabilidad de que todoslos consumidores conectados a la red consuman energa al mismo tiempo es casinula. La relacin entre la potencia mxima que se establece en un instante y lasuma de las potencias mximas individuales de todos los abonados conectadosse denomina factor de simultaneidad del sistema. Para una red utilizada porconsumidores similares (suponiendo la misma potencia y el mismo periodo deconexin: categora residencial), se tiene la siguiente relacin:

(1 )F f

N

f0.5sn s

s

= + -

Con el factor de simultaneidad del conjunto de consumidores de la mismacategora, se determina la demanda mxima usando la siguiente relacin:

[kW]D N F P max sn ins= # #

Donde:

N = nmero de usuarios

Pinst

= potencia instalada

Fsn

= factor de simultaneidad del conjunto de consumidores

Cuadro 2. Clculo de la potencia requerida

Tipo de cargaConsumo especfico

(kWh/mes/u)Factor A Factor B

Demanda depotencia (kW)

Residencial 40.8 67.9 0.159 10.80

General 20.1 12.52 0.084 1.10

Alumbrado pblico 21.6 27.81 0.09 2.50Pequea industria 1 391.4 5.71 3.59 20.48

Total 34.88

Considerando 5% de prdidas en las redes de transmisin, la potencia requeridaes 36.6 kW.


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/29

Siguiendo el ejemplo anterior, se determinar la demanda actual de la categoraresidencial para la comunidad de San Antonio de Lpez.En primer lugar, se debe hallar el factor de simultaneidad por familia, paraluego hallar el factor de simultaneidad del conjunto y con este valor determinarla demanda mxima. Con datos del cuadro 1, calculamos el factor desimultaneidad por familia:

Fs= 200/240 = 0.83

El factor de simultaneidad del conjunto de beneficiarios es:

Fsn

= 0.83 + (1 - 0.83)/600.5= 0.85

Dmx

= 12.2 [kW]

Como se puede apreciar, cualquiera sea la metodologa utilizada, la determinacin

de la demanda es vlida. De la misma manera se determina la demanda para lasotras categoras. En el cuadro 3se muestra la demanda de potencia y energa delsistema para la comunidad de San Antonio de Lpez:

Cuadro 3. Clculo de la potencia de conexin y de la demanda de puntaen el ao de inicio

Consumidor

Nmero

deusuarios

ndiced

ecobertura

(%)

Potenciamxima

porunidad(kW)

Suma

potencial

terica(kW)

Fa

ctorde

simu

ltaneidad

Sumapotencialreal

(kW)

Periodo

deconexin

promedioanual

(h

/ao)

Energacalculada

(MW

h/ao)

Alumbradopblico

20 1 0.06 1.2 1 1.20 4 500.0 5.40

Categora residencial

Hogares 60 1 0.24 14.4 0.85 12.24 1 500.0 18.36

Categora general

Escuela 1 1 0.24 0.24 0.6 0.14 3 000.0 0.43

Alcalda 1 1 0.08 0.08 0.6 0.05 3 000.0 0.14

Sindicato 1 1 0.08 0.08 0.5 0.04 1 500.0 0.06

Posta de salud 1 1 0.30 0.30 0.4 0.12 8 500.0 1.02

Radio ycomunicacin

1 1 0.54 0.54 0.6 0.31 8 500.0 2.66

Teatro 1 1 0.08 0.08 0.5 0.04 1 500.0 0.06

Total 67 - 1.62 16.9 - 13.94 32 000.0 28.1


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> 1.2.3. Estimacin de la demanda futura

La demanda futura es el pronstico del crecimiento de la demanda potencial o actualen energa o potencia en un periodo de tiempo preestablecido por el diseadordel sistema (micro o minicentral hidroelctrica). El crecimiento de la demandadebe calcularse de forma cuidadosa, ya que se realiza en base a estimados denatalidad, mortalidad, migracin, perspectivas de desarrollo y otros.

a. Frmula estadstica

Un mtodo sencillo para la estimacin de la demanda futura es la aplicacinde frmulas estadsticas que incluyen como variables la demanda actual, tasade crecimiento y el nmero de aos de proyeccin. El mtodo considera uncrecimiento uniforme a lo largo del periodo considerado.

(1 )P P in on

= +$

Donde:

Pn= potencia proyectada al ao n (kW)

Po= potencia estimada para el ao 0 (kW)

i = ndice o tasa de crecimiento considerado

n = nmero de aos de proyeccin (10 a 30 aos)

Es posible, por ejemplo, en base a la tabla 4,estimar o calcular la demanda futuraao a ao, incluyendo una tasa de crecimiento por ao, en particular para losprimeros cinco aos, donde es posible que la tasa de crecimiento vare por elhecho de la puesta en servicio del sistema elctrico(ver tabla 6).

Tabla 6. Crecimiento de la demanda por potencia y por energa

Ao

Residencial Industrial o comercial Servicios pblicos

Potencia Energa Potencia Energa Potencia Energa

% W % kWh % W % kWh % W % kWh0

1

2

3

4

5

.

.

n


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/31

b. Mtodo Momenco

Se trata de una metodologa formulada por la compaa consultora canadienseMonenco (Montreal Engineering Company), vlida para localidades de menosde 20 000 habitantes. La metodologa comprende el anlisis de los siguientesrubros:

Proyeccin de la poblacin

Proyeccin del nmero de viviendas

Proyeccin del nmero de abonados domsticos

Proyeccin de los consumos de energa unitario y neto en el sectordomstico

Proyeccin del consumo de energa en el sector comercial

Proyeccin del consumo de energa en el sector alumbrado pblico

Proyeccin del consumo de energa en el sector industrial Proyeccin del consumo de energa de cargas especiales

Proyeccin del consumo neto total

Proyeccin de la mxima demanda

Cada rubro contiene parmetros o tablas para la obtencin de valores numricosa cada proyeccin.

> 1.2.4. Curva de carga

Tambin se tiene presente la curva de carga, que representa el comportamientode la demanda del sistema y est sujeta normalmente a fluctuaciones peridicasy cambios tendenciales.

En el caso de las fluctuaciones peridicas, pueden ser de mayor importancia lasvariaciones originales en las horas del da (maana, tarde y noche), de la semanao fluctuaciones estacionales. La causa de cambios tendenciales puede ser:

Sustitucin de otras fuentes de energa por la corriente elctrica Creciente mecanizacin en el sector productivo (si lo tuvieran)

Creciente tecnificacin en los hogares

El comportamiento del sector rural est definido por las costumbres de sushabitantes y el ritmo de vida que ellos llevan, por lo que se puede esperar unacurva de carga tpica durante todo el proyecto. En base a una planilla de cargadiaria y estableciendo el tiempo de utilizacin de energa durante el da en cadacategora, se tienen curvas de demanda diarias. Solapando las diferentes curvas,

se determina la demanda total del sistema.


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De esta manera se determinan las situaciones de mayor simultaneidad posible,a fin de obtener una curva que exija la mayor potencia al sistema y que se debaadoptar como representativa. A partir de esta, se proceder a proyectar la curvade carga para cada quinquenio y de esta manera tener una visin ms clara delcomportamiento de la demanda.

A continuacin presentamos un diagrama de carga para la comunidad del ejemplo(ver figura 1).

1.3. BibliografaGTZ.Sistema de DIPEO para la electrificacin rural.Lima: Empresa de electricidaddel Per-GTZ, 1990.

Nozaki, T. Gua para la elaboracin de proyectos de pequeas centrales

hidroelctricas destinadas a la electrificacin rural del Per.Lima: JICA, 1985.Ortiz, R.; Machado, E. Pequeas centrales hidroelctricas. Santaf de Bogot:McGraw Hill, 2001.

Figura 1. Diagrama de carga para San Antonio de Lpez (ao 15)

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Horas

kW

Potencia generada Potencia mxima (21 kW)

Energa vendida

Energa comprada


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/33

2.1. Medicin de altura, salto o cadaLos mapas con curvas de nivel sirven para hacer una primera estimacin del saltodisponible y pueden utilizarse para estudios de prefactibilidad de microcentrales

Luego de haber efectuado el clculo de la demanda de energa para undeterminado pueblo, el siguiente paso es realizar la evaluacin del potencial degeneracin de energa en la zona, es decir la oferta. Esto es importante a fin dedefinir la viabilidad del proyecto y los prximos pasos a seguir (elaboracin deestudios, gestin de financiamiento, ejecucin, etc.). Es evidente que al escogerel lugar de evaluacin de los recursos, la ubicacin de la futura casa de mquinasdebe encontrarse lo ms cerca posible al lugar de la carga a servir (poblado,

servicios varios).La capacidad de generacin de energa mediante el empleo de agua estdeterminada por la altura o cada (energa potencial) que se pueda obtener y delcaudal disponible. La altura depende a la topografa del terreno y el caudal delas caractersticas del ro o arroyo que se va a utilizar.

A continuacin se describen mtodos prcticos para la evaluacin de la alturay del caudal. La utilizacin de cualquiera de estos depender de los materialesy equipos que se pueda llevar o encontrar en el lugar de evaluacin, nivel deestudio (perfil, prefactibilidad, factibilidad), as como el tamao del proyecto(pico, micro o minicentral hidrulica), tambin en algunos casos se tomar en

cuenta el esquema de financiamiento del proyecto.

Figura 2. Salto entre la cmara de carga y la turbina

Q [m3/s]

Q = caudalh = salto

h (m)

Turbina

EVALUACIN DE

RECURSOS HIDROENERGTICOS

Tema 2


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Tabla 7. Comparacin de tcnicas de medicin

MtodoVentajas y

limitacionesPrecisin Observaciones

Manguera denivelacin

Agotador para

cadas altas, rpidopara pequeascadas

Aproximadamente5 %

Recomendablehacerlo con dospersonas

Manguera ymanmetro

Rpido, seguro.Facilita medirla longitud de latubera de presin ala vez

< 5 % Calibrar instrumentos

Nivel de

carpinteroy tablas

No es apropiado

para pendientessuaves y largas,lento

Aproximadamente5 % en pendientes

pronunciadas,poca precisin enpendientes suaves(10-20 %)

Usar solo para cadas

pequeas cuando nose dispone de otromtodo

AltmetroUsado en cadasaltas y medianas(>40 m), rpido

Propenso a grandeserrores (30 %)

Calibrar instrumentos,tener destreza. Tomar2 o 3 medidas

Eclmetro ywincha

Rpido, facilitamedir la longitudde la tubera depresin a la vez

Buena, 5 %

Muy til pata terrenosdespejados. Usadoen todos los lugares,especialmente dondeotros mtodos sonlentos

Nivel deingeniero

Rpido, costo alto Muy buena

No es adecuado enlugares donde haymuchos rboles yarbustos

Mapa

Solo para cadasaltas, no senecesita viajar allugar y tiene bajo

costo

Aceptablepara perfiles yprefactibilidad

Se necesita destrezapara leer planos

hidrulicas (MCH). En los estudios de factibilidad y en los definitivos es necesariorealizar mediciones en el lugar, a fin de obtener una mayor precisin. Por logeneral, se requiere precisiones de 3 % o ms, puesto que la cada o salto es unparmetro importante en el diseo del proyecto.

Es recomendable efectuar tres mediciones y analizar los resultados en el lugarcon el propsito de corregirlos u obtener nuevas medidas en caso fuera necesario(p.e. si las tres mediciones realizadas son demasiado discordantes).

Como se puede apreciar en la tabla 7,existen varios mtodos para medir la altu-ra. En esta tabla se incluyen tambin algunas observaciones sobre la precisin yotros detalles de cada mtodo.


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/35

A continuacin se describen los mtodos ms comunes:

> 2.1.1. Mtodo de la manguera de nivelacin

Este mtodo se basa en el principio de los vasos comunicantes y es recomendadoespecialmente para lugares con pequeas alturas, es econmico, razonablemente

preciso y poco propenso a errores. En la figura 3 se muestra el principio delmtodo. Se recomienda eliminar las burbujas de aire en la manguera, ya quepodran llevar a errores.

Es necesario realizar dos o tres pruebas separadas para estar seguros de que losresultados finales sean correctos y confiables. De ser posible, hay que confrontarlos resultados usando otros mtodos.

La precisin de este mtodo puede ser sorprendente, incluso cuando se usacomo altura referencial la estatura de una persona. Los habitantes de un pueblocolombiano midieron una cada como 48 luises y medio (Luis era el hombreque conduca la prueba), lo que traducido a longitud total fue 81.6 m, pruebas

posteriores hechas a gran costo, indicaron una longitud de 82.16 m, es decirmenos de 3 % de diferencia.

a. Equipo necesario

1 manguera transparente de 3/8 o de dimetro x 5 m de longitud

2 tapones de madera o similar para tapar la manguera en ambosextremos

1 wincha (cinta mtrica) de 5 m

2 reglas de madera graduadas en centmetros Estacas de madera

1 comba de 3 libras

1 balde de 8 litros

1 libreta de notas y 1 lapicero

2 personas (mnimo)

b. Procedimiento

Llenar la manguera con agua haciendo uso del balde, tener cuidado deque no queden burbujas de aire atrapadas en el conducto

Seleccionar el trazo a recorrer, de arriba hacia abajo desde la futura cmarade carga o de abajo hacia arriba partiendo de la futura casa de mquinas

Si asumimos empezar desde la futura cmara de carga, los pasos a seguir son:

La persona X coloca una estaca en B1, haciendo coincidir el nivel de agua de

la futura cmara de carga con un extremo de la manguera. A continuacin lapersona Y se traslada cuesta abajo con el otro extremo, buscando el equilibriodel agua. Luego de esperar un tiempo prudente (estabilizacin del agua enambos extremos), la persona Y registra la lectura en la regla graduada o midecon la wincha en A

1.Enseguida, coloca otra estaca en el pie de la regla (B

2)


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Para obtener la siguiente lectura, la persona Y permanece en su lugar yla persona X se desplaza cuesta abajo; una vez obtenido nuevamente elequilibrio del agua dentro de la manguera en ambos extremos, la personaX mide la lectura A2y la persona Y, la lectura B2

Repetir el proceso hasta llegar al lugar definido como la futura casa defuerza. Registrar los datos teniendo en cuenta el modelo de la figura 4

Nota 1: si el suelo no tiene una pendiente definida, seguir el mismo principio perosustraiga las mediciones apropiadas.

Nota 2: una alternativa a la regla graduada es usar la distancia de los pies olos ojos de una persona como altura de referencia. Esto es efectivo en muchassituaciones. Si la cada est por encima de 60 m; la precisin requiere estar solodentro de la mitad de la altura de una persona (alrededor de 1.5 m).

Figura 4. Modelo de tabla de registro de datos

Figura 3. Determinacin de la altura con manguera de nivelacinX

Y

YX

X

B1= 0.00

B2= 0.20

A1= 1.55

A2= 1.68

A3= 1.65

Cmara de carga

B3= 0.18


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/37

> 2.1.2. Mtodo de la manguera y manmetro

Este es probablemente el mejor de los mtodos simples disponibles, pero tienesus riesgos. Los dos posibles errores son la mala calibracin del manmetro yla presencia de burbujas en la manguera. Para evitar el primer error se debercalibrar el medidor antes y despus de cada prueba en el lugar(ver figura 6).Paraevitar lo segundo deber utilizarse una manguera de plstico transparente quepermita ver si existen burbujas a eliminar. Este mtodo puede ser usado tanto encadas altas como bajas, pero necesitar manmetros con diferente escala.

Se recomienda utilizar de preferencia mangueras con dimetros entre 6 y 8 mm.Otros dimetros ms delgados pueden permitir el ingreso de burbujas de airemientras que mangueras ms gruesas resultan pesadas.

a. Equipo necesario

Manguera plstica transparente

Manmetro de precisin

Papel milimetrado

Wincha de 5 m

Papel y lapicero

Curva de calibracin

b. Procedimiento

Calibrar el manmetro

Anotar las mediciones en cada tramo

Figura 5. Medicin de altura usando manguera y manmetro

H1

H2

H3


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Convertir cada medicin en su verdadera magnitud usando la curva decalibracin. Una lectura del manmetro en kPa o PSI se puede convertira una cada en metros, utilizando las siguientes ecuaciones:

h(m) = P(kPa) /9.8

h(m) = P(PSI) x 0.7045

Donde:P = presin medida en el manmetro

Una vez obtenidas las alturas parciales, se suman para obtener el total

c. Calibracin del manmetro

Use papel milimetrado para hacer la curva de calibracin(ver figura 6)

Medir cuidadosamente una distancia vertical, usando una escalera y repetirusando la wincha

Tome alrededor de 5 lecturas barriendo en lo posible desde la menor magnitudhasta la mxima

Grafique los resultados en un sistema de coordenadas, una los puntosobtenidos y prolongue la lnea obtenida (debe ser una recta)

Nota: la manguera debe ser transparente para permitir ver claramente las

burbujas atrapadas. El manmetro debe ajustarse bien a la manguera para evitarprdidas de agua. Mangueras de ms de 20 m de longitud son por lo generaldifciles de transportar cuando estn llenas de agua.


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/39

> 2.1.3. Mtodo del nivel de carpintero y reglas

En principio este mtodo es idntico al de la manguera de nivelacin. La diferenciaes que la horizontalidad es establecida no por niveles de agua, si no por un nivelde carpintero (o de burbuja), colocado en una tabla de madera recta y fija. Lafigura 7muestra el principio de su funcionamiento. En pendientes suaves estemtodo es muy lento, pero en pendientes fuertes es apropiado especialmente sise trata de pequeas cadas.

a. Equipo necesario

Nivel de carpintero

3 reglas de madera

1 wincha de 5 m

Libreta de notas y lapicero

3 personas (mnimo)

b. Procedimiento

Se usa el mismo procedimiento que para la manguera de nivelacin(verfigura 3)

Nota: es importante calibrar el nivel de carpintero a fin de obtener resultadosptimos.

Figura 7. Determinacin de la altura con nivel de carpintero

h4

5

4

3

2

1

h3

h2

h1

1.38

1.50 Regla graduada

H = h1+ h

2+ h

3+ h

4

Regla demadera

Nivel

0.90

0.92

Cmara de carga


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> 2.1.4. Mtodo del altmetro

El altmetro es un instrumento de medicin fcil de usar pero relativamentecostoso. La precisin de los resultados que se obtienen depende principalmentede la destreza de quien use la herramienta. Si se cuenta con mucha experiencia ylas mediciones se realizan con cuidado, los resultados sern buenos y vlidos paraefectuar clculos de ingeniera. Sin embargo, si este no fuera el caso, el mtodosolo arrojar datos referenciales para un estudio preliminar, no para un estudio defactibilidad, y mucho menos para clculos de diseo de ingeniera.

El altmetro mide la presin atmosfrica, directamente relacionada con la alturasobre el nivel del mar, aunque vara ligeramente debido al clima, temperatura yhumedad relativa. Como estas variaciones pueden ser muy significativas para laevaluacin del salto, a fin de obtener resultados aceptables es necesario tomarvarias lecturas durante el da y luego estimar un valor final.

En el caso de una microcentral, lo ms conveniente es utilizar un solo altmetro,tomar varias medidas durante el da, tanto en el lugar de la cmara de carga

como en el de la casa de fuerza, confeccionar una tabla donde se registre la horay las lecturas del altmetro (ver tabla 8), luego graficar estos resultados comose muestran en lafigura 8,trazar lneas promedio y determinar la diferencia dealturas (salto).

El tiempo que transcurra entre la medida de la altura en la casa de fuerza y la lectura enla cmara de carga para una hora determinada debe ser lo ms corto posible.

Tabla 8. Lecturas en cmara de carga y casa de mquinas

Hora 8 10 12 14 16 18

Cmara de carga 3 220 3 235 3 200 3 240 3 210 3 225Casa de mquinas 3 170 3 180 3 150 3 180 3 150 3 160

Figura 8. Uso del altmetro para medir la altura

Hora

Altura estimada

Cambioaparenteen

elevacin

(m)


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/41

> 2.1.5. Mtodo del eclmetro y wincha

Para aplicar este mtodo es necesaria la participacin de dos personas: unapersona A, que usar el eclmetro y la persona B, que apoyar en la medicin.Es recomendable que la talla de ambos sea lo ms parecida posible a fin de noincurrir en errores por diferencia de tamaos. No obstante, la busca de tallassimilares no debe ser causa de postergacin o cancelacin de la evaluacin dellugar; si el caso se presentara, nos podemos ayudar de una regla (de tamaomayor a la persona A), donde previamente debe marcarse la visual, colocando eleclmetro en la posicin de 0. El grado de precisin del mtodo depende de lahabilidad del operador en el uso del eclmetro.

a. Equipo necesario

Eclmetro

Wincha de 30 m

Estacas Machete

Comba de 3 libras


b. Procedimiento

Una vez definidas las personas A y B, o en su defecto la persona B, tomandola regla con la seal, A tomar el eclmetro para iniciar el proceso segn

la figura 9.Dirigiendo la lnea de mira a los ojos de B (o la seal en casode la regla). En esta posicin deber graduarse cuidadosamente el ngulodel eclmetro y ajustarlo suavemente para evitar su movimiento

Leer el ngulo vertical que forma la horizontal con la visual (1) y anotarlo

en la libreta de notas

Medir la distancia en direccin de la visual entre A y B y registrar en lalibreta de notas (L

1)

La persona A se desplazar al lugar en donde estuvo B en la primeramedicin, mientras que B se desplazar a una nueva posicin para tomar

los datos 2y L2,y registrarlos en la libreta de notas Repetir el procedimiento cuantas veces sea necesario

Calcular las alturas parciales, aplicando la siguiente frmula:

senH L1 1= $ a

Calcular la altura total o salto sumando las alturas parciales obtenidaspreviamente:

H = H1+H

2+H

n


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> 2.1.6. Mtodo del nivel de ingeniero

El nivel de ingeniero tiene una precisin de 1 mm; pero es caro y pesado yrequiere operadores diestros. Por lo general los errores se producen en las largasseries de clculos que hay que efectuar.

Debido a que es un mtodo comn, los equipos que emplean se alquilan fcilmente

y a precios aceptables. Con l las distancias pueden ser medidas simultneamente,pero no es apropiado para lugares escarpados o con muchos rboles.

Tabla 9. Registro de datos (I)

Estacas L (m) Hi= Lsen

1-2

2-3

3-4

Total

Nota 1: tambin se puede aplicar este mtodo colocando el eclmetro sobreunas estacas, dirigiendo la lnea de mira a la parte final de la estaca siguiente yregistrando los datos que se obtengan.

Nota 2: es recomendable que la ubicacin de las personas A y B se efecten en loscambios de direccin del perfil del terreno, esto nos permitir tambin obtener losngulos correspondientes para el diseo de anclajes. Por otro lado, las distanciasde medicin no deben exceder 30 m, a fin de tener una buena confiabilidad alefectuar la visualizacin del ngulo medido.

Figura 9. Determinacin de la altura usando eclmetro y wincha

L1 Visual

Horizontal

H

h5

h4

h3

h2

A

A

A

A

A

BL1

L 3

L 5

L 2

L 4

B

B

B

B

1

2

4

5

3

h1


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/43

a. Equipo necesario

Nivel topogrfico

Trpode

Mira

Machete Libreta de notas y lapicero

2 personas (mnimo)

b. Procedimiento

Definir las personas que efectuarn el trabajo, el operador del nivel y elportamira

El operador colocar el nivel en un lugar, de tal forma que pueda visualizar

al portamira en el primer punto (cmara de carga o casa de mquinas,segn sea el caso), as como a un segundo punto, siguiendo la direccindel terreno

Si consideramos iniciar la medicin desde la cmara de carga, elportamira se colocar en este punto, el operador visualizar la mira ytomar nota de la lectura (Vat), en seguida el portamira se desplazar aun segundo punto y el operador, girando el anteojo del nivel visualizar lamira y registrar otra lectura (Vad)

El operador hace un cambio de ubicacin (estacin), de tal forma quepueda visualizar nuevamente al portamira en el punto anterior, para lo

que el portamira no se ha movido, lo que hace es girar la mira para queel operador registre una nueva lectura, ahora ser Vat, luego el portamirase traslada a otro punto donde el operador registra la lectura en la mira,que es Vad

El procedimiento se repita hasta llegar al punto donde ser ubicada lacasa de mquinas

Nota: el proceso se agiliza si podemos contar con 2 portamiras e igual nmerode miras.

Tabla 10. Registro de datos (II)

Estacin Vad Vat Hi = Vad-Vat Observaciones

1

2

3

4

Htotal


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> 2.2. Medicin del caudal

En razn de que el caudal de los ros vara a lo largo del ao, realizar una medidadel caudal instantneo resulta un registro aislado cuya utilidad es relativamentepequea.

Es probable que muchas veces no exista la informacin necesaria para hacer

un estudio de hidrologa, entonces nos veremos forzados a recolectar nuestrospropios datos a partir de mediciones instantneas del caudal; sin embargo, de serposible y si el proyecto lo amerita, habr que buscar especialistas en el tema, detal forma que se pueda obtener una estimacin del caudal lo ms certera posible.La similitud de cuencas hidrogrficas es muy utilizada para estimar un caudaldonde no existe informacin hidrogrfica.

Para nuestro caso, nos abocaremos a efectuar la descripcin de mtodos prcticospara medir el caudal instantneo en un determinado ro o riachuelo. Lo ideal eshacer mediciones a diario, aunque tambin se usan mediciones semanales ymensuales.

Es importante que estas mediciones se realicen en temporada de sequa (ausenciade lluvias), ya que es el tiempo ms crtico e ideal para el diseo de un proyecto.

Los mtodos de medicin de caudal ms utilizados son:

Mtodo de la solucin de la sal

Mtodo del recipiente

Mtodo del rea y velocidad

Mtodo de la seccin y control de la regla graduada

Mtodo del vertedero de pared delgada

Figura 10. Clculo de la altura con nivel de ingeniero

2.905

Estacin 2

Estacin 3

Hilosestadimtricos

Lectura en

la mira

Cmara de carga

Estacin 1

3.05

3.15

3.00

0.254

0.29 Vad

Mira

0.29 Vat

0.40


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/45

Es necesario estudiar las caractersticas de estos mtodos a fin de utilizarlosadecuadamente, aprovechando las ventajas que ofrecen en cada casoparticular.

> 2.2.1. Mtodo de la solucin de sal

Este mtodo es fcil de usar y bastante preciso. Las mediciones bien efectuadasdarn errores menores a 5 % y permiten hacer estimaciones de potencia y clculosposteriores.

Este mtodo se basa en el cambio de la conductividad del agua (ohm-1= 1 siemens),al cambiar el grado de concentracin de sal. De este modo, si disolvemos unamasa (M) de sal en un balde y vertemos la mezcla en una corriente de agua,dndole el tiempo necesario para diluirse, provocaremos un incremento de laconductividad que puede ser medido, como se explica ms adelante, mediante unequipo llamado conductivmetro.

Como podemos imaginar, dicho incremento de la conductividad dura un ciertotiempo y no es uniforme durante ese lapso. Es decir, habr pequeos incrementosal inicio y al final del paso de la nube (o concentracin) de sal, mientras que habrun mximo en una situacin intermedia.

Si hacemos mediciones de conductividad en siemens (S) o microsiemens (S)en intervalos de tiempo cortos (como 5 segundos), desde que se inicia el paso dela nube de sal hasta el paso total de la misma y luego se grafica conductividad(S) versus tiempo (t), se encontrar una curva de distribucin ms o menosuniforme.

Matemticamente es demostrable que el caudal del ro o quebrada en cuestin sepuede calcular con la siguiente expresin, que relaciona el caudal con la masa desal y el rea bajo la curva obtenida y corregida por un factor k.

Figura 11. Mtodo de la solucin de sal


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Q = k(M/A)

Donde:

Q = caudal (litros/s)

M = masa de sal (miligramos)

k = factor de conversin [S/(mg/litro)]

Tal como se aprecia en la figura 13, el factor k vara con la temperatura, porconsiguiente, es importante conocer la temperatura del agua en el momento dela medicin, a fin de calcular el factor adecuado.

a. Equipo necesario

Conductivmetro

Cronmetro Balanza con precisin en gramos

Sal de mesa

Balde de 10 litros

Termmetro

Calculadora cientfica

Papel milimetrado

Bolsas de plstico

Pico, lampa, machete

b. Procedimiento

Estimar el caudal de la fuente a medir

Pesar una cantidad de sal de mesa (seca) en gramos, haciendo uso de lasbolsas, teniendo como referencia la relacin de 1 gramo de sal por cada1 litro/s de agua

Medir la temperatura del agua y registrarla en el conductivmetro

Seleccionar un tramo del ro o quebrada (no menos de 30 m) observandoque la velocidad superficial sea uniforme, libre de obstculos (piedras,ramas, remansos, remolinos, etc.); estas consideraciones son importantes,ya que ello influir en los resultados de la medicin

Disolver la bolsita de sal pesada en un balde de 10 litros de capacidad,llenarlo con agua hasta llegar a de su volumen para evitar el derramede la solucin al momento de la disolucin

Determinar en el tramo seleccionado el lugar de aplicacin de lasolucin de la sal, as como el extremo donde se colocar el sensor del

conductivmetro para tomar las medidas


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/47

Introducir el sensor del conductivmetro dentro del agua para medir laconductividad base del agua. Tener listo el cronmetro y preparar elregistro para tomar los datos

Ordenar a la persona que est ayudando a verter la solucin de salen el punto indicado, registrar los valores de la conductividad cada 5segundos

Procesar los datos en una hoja milimetrada y graficar la conductividadversus tiempo

Calcular el rea encerrada por la curva y trazar una lnea recta queuna la conductividad base (primer punto ledo) con el ltimo punto(ver figura 13a)

Determinar el factor de correccin por temperatura k en S/mg/litro,haciendo uso de la figura 14b

Calcular el caudal, utilizando la frmula: Q = k(M/A)

c. Recomendaciones

Si el medidor de conductividad se satura, cambiar la escala

Si el paso de la nube de sal es muy rpido, usar una distancia mayor

La solucin debe ser lo suficientemente agitada como para obtener unabuena dilucin antes de verter al ro

El grfico resultante debe tener una forma ms o menos regular (verfigura 14e)

Tener cuidado con la unidades en el momento de hacer los clculos

Figura 12. Medidor de la conductividad con sensores


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Donde:

A = rea bajo la curva en S por segundo

Figura 13. rea bajo la curva y factor de correccin

Factordeconversin,

K(S/mg/l)

Conductividad(S)

Tiempo (seg)

a. Grfico de lectura de conductividad b. Factor de conversin en funcin de la temperatura

rea(A)

Temperatura (C)

Figura 14. Tipos de grficos obtenidos

e) Curva ideal

a) Cambiar escala o usar menos sal

c) La sal no fue bien disuelta d) Agregar ms sal

b) La sal pas muy rpido. Empleara ms distancia

S S

SS

S

Seg Seg

SegSeg

Seg


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/49

Ejemplo: calcular el caudal en una fuente de agua, si se tienen los siguientesdatos:

Datos: Cantidad de sal: 125 g

Temperatura del agua: 12 C Conductividad base: 240 S

Grfica deconductividad versus

tiempo

Resultados:Del grfico se obtienen 66 cuadrados, cada uno de 5 S por 5 segundos

A = 665 S5 s = 1 650 S por segundo

De la figura 14b, a 12 C el factor de correccin K es 1.62 S/mg/litro.

Entonces:

Q = k(M/A) = (1.62 S/mg/litro x 125 000 mg)/1 650 S por segundoQ = 122.72 litros/segundo

T(seg) S0.00 240

5 24310 24715 25420 27025 28430 29035 28740 28445 27350 26255 256

60 25265 24870 24575 24380 24285 24190 24195 241

100 240

Seg

S


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> 2.2.2. Mtodo del recipiente

El mtodo del recipiente es una manera muy simple de medir el caudal de undeterminado arroyo. Todo el caudal a medir es desviado hacia un balde, barril ocualquier recipiente con volumen conocido, luego se anota el tiempo que tomallenarlo. El volumen del recipiente se conoce y el resultado del caudal se obtienesimplemente dividiendo este volumen por el tiempo de llenado. La desventaja deeste mtodo es que todo el caudal debe ser canalizado o entubado al recipiente. Amenudo es necesario construir una pequea presa temporal. Este mtodo resultaprctico y muy til para caudales pequeos.

a. Equipo necesario

Recipiente de capacidad conocida en litros, puede ser un balde,cilindro, etc.

Cronmetro de precisin en segundos

Pico y lampa (pala) Manta de plstico, plancha de calamina o tubo de PVC


b. Procedimiento

Haciendo uso de parte del equipo (pala y pico), desviar lateralmente elriachuelo, tratar de formar un canal provisional con la manta de plstico,plancha o tubo de PVC; aprovechar un desnivel para provocar una cada

libre del chorro de agua Utilizando el cronmetro y con la ayuda de una segunda persona, medir

el tiempo que demora en llenarse el recipiente seleccionado. Repetir elproceso un mnimo de tres veces

Medida del caudalusando un barril decapacidad conocida

Figura 15. Medida del caudal usando el mtodo del recipiente


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/51

c. Frmulas empleadas en caso no seconozca el volumen del recipiente

Tipo cilindro (figura 16)

4V D H

2

= r

Donde:

V = volumen del recipiente (m3)

D = dimetro del recipiente

H = altura del recipiente

Ejemplo: si se tienen los siguientes tiempos registrados en llenar un balde de20 litros, calcule el caudal:

Tiempos registrados:

T1 = 4.5 segundosT2= 4.8 segundos

T3= 4.9 segundos

Clculo del tiempo promedio:

Tp= tiempos/N de tiempos

Tp= (4.5+4.8+4.9)/3 = 14.2/3 = 4.73 segundos

Determinacin del caudal:Q = volumen del recipiente/T

p

Q = 20 litros/4.73 segundos

Q = 4.23 litros/segundo

Figura 16. Volumende un cilindro


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> 2.2.3. Mtodo del rea y velocidad (flotador)

Este mtodo se basa en el principio de continuidad. Para un fluido de densidadconstante fluyendo a travs del rea de una seccin conocida, el producto delrea de la seccin por la velocidad media ser constante:

rea x Vmedia

= Q = constante (m3/s)

Donde:

Vmedia

= velocidad promedio del agua en la corriente

Este producto es igual al valor del caudal volumtrico (Q, en m3/s).

a. El flotador

Se dibuja el perfil de la seccin del lecho del ro y se establece una seccinpromedio para una longitud conocida de corriente (ver figura 18). Se utilizan unaserie de flotadores (pedazos de madera, corchos, etc.) para medir el tiempo quese demoran en recorrer una longitud preestablecida en el ro. Los resultados son

promediados y se obtiene la velocidad superficial del flujo de agua. Esta velocidaddeber ser reducida por un factor de correccin para hallar la velocidad media dela seccin. Este factor depende de la profundidad de la corriente. Multiplicando elrea de la seccin promedio por la velocidad del caudal promediada y corregidase obtiene el volumen de agua estimado que fluye. Las imprecisiones de estemtodo son obvias. La frmula para el clculo es:

Q k A V = $ $

Tipo tronco-cnico (figura 17)

12V D d D d H

2 2

= + + $ $r ^ h

Donde:

V = volumen del recipiente (m)

D = dimetro mayor del recipiente

d = dimetro menor del recipiente

H = altura del recipiente

Figura 17. Volumen de un tron-co-cnico


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/53

Donde:

A = rea promedio de la seccin transversal (m)

V = velocidad superficial del agua (m/s)

k = factor de correccin de velocidad segn la relacin s/p (ver tabla 11)

El factor k tambin se puede obtener de latabla 12, en funcin a la profundidad yel tipo de material del riachuelo.

A menos que se considere un canal de pendiente suave y regular, obtener unvalor preciso del rea de la seccin de la corriente de agua ser muy complicadoy tedioso, a menos que se utilicen aplicaciones matemticas avanzadas.

La velocidad promedio obtenida no es la velocidad media de la corriente, yaque el flotador est en la superficie del agua y el factor de correccin es unaaproximacin; sin embargo, en circunstancias donde no es posible utilizar otromtodo o no se cuenta con el equipo suficiente, el mtodo para estimar el caudales vlido.

En general, se debe escoger la mayor longitud posible del arroyo que tengaorillas paralelas con un rea de la seccin transversal uniforme a lo largo deesta longitud. Una seccin de fondo rocoso con obstculos al flujo, como piedras

grandes, arrojar resultados errneos. Es muy importante solicitar la ayuda delos pobladores de la zona para limpiar el rea donde se realizarn las mediciones.Esto mejorar la validez de los resultados.

Figura 18. Seccin transversal de la corriente


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Donde:

S = seccin transversal (m)

P = permetro mojado (m)

b. Equipo necesario

Lampa y pico

Estacas

Cordel de nylon

Winchas de 30 m y de 5 m

Cronmetro

Regla graduada en centmetros

Flotador (maderas, botella plstica, corcho)

Tabla 11. Valores de k segn la relacin s/p y material del riachuelo

S/pMadera lisao cemento

Madera spera oladrillo

Pared depedruscos

Tierra

0.1 0.860 0.840 0.748 0.565

0.2 0.865 0.858 0.792 0.6450.3 0.870 0.865 0.812 0.685

0.4 0.875 0.868 0.822 0.712

0.5 0.880 0.870 0.830 0.730

0.6 0.885 0.871 0.835 0.745

0.7 0.890 0.872 0.837 0.755

0.8 0.892 0.873 0.839 0.763

0.9 0.895 0.874 0.842 0.771

1.0 0.895 0.875 0.844 0.778

1.2 0.895 0.876 0.847 0.786

1.4 0.895 0.877 0.850 0.794

Tabla 12. Valores de k segn la profundidad y el material del riachuelo

Tipo de canal o roProfundidad del agua en

el centro del lechoFactor k

Canal revestido con concreto Mayor de 0.15 m 0.80

Canal de tierra Mayor de 0.15 m 0.70

Ro o riachuelo Mayor de 0.15 m 0.50

Riachuelos o canales de tierra Menor de 0.15 m 0.50 a 0.25


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/55

Machete


c. Procedimiento

Seleccionar en el ro o riachuelo un tramo recto y de seccin uniforme Medir la longitud (L) en metros y colocar estacas

Atar transversalmente el cordel a las estacas

Determinar la velocidad superficial de flujo en el tramo seleccionado:

- Calcular el tiempo que tarda el flotador en recorrer la longitud L con elcronmetro. Realizar este paso por lo menos 3 veces

- Hallar el tiempo promedio Tp

- Calcular la velocidad superficial: V= L/Tp

Hallar el rea de la seccin transversal A en el centro del tramoseleccionado:

- Medir el ancho del espejo de agua de la seccin transversal

- Dividir este ancho en partes iguales

- Con la regla graduada, tomar lecturas de la profundidad en cadadivisin marcada

- Dibujar un croquis de la seccin con los datos obtenidos

- El rea de la seccin transversal estar dada por la suma de las reasparciales. Para facilidad de clculo, semejar a figuras conocidas comotringulos y trapecios, segn sea el caso

- Determinar el perfil p del croquis dibujado, el mismo que viene a ser elpermetro mojado

Calcular el caudal Q, aplicando la frmula Q= kAV, teniendo en cuenta losvalores de A, V y el factor k de la tabla 11.


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Ejercicio: hallar el caudal de un riachuelo, conociendo los siguientes datos: Material: pedrusco Espejo de agua: 3.50 m Profundidades en metros, tomadas a distancias iguales:

h1= 0.00h

2= 0.30

h3= 0.55

h4= 0.45

h5= 0.25

h6= 0.10

LongitudL= 10.50 m

Tiempos T1= 11.5 s

T2= 11.8 s

T3= 12.0 s

Solucin:

Clculo de la velocidad V:Tp =V =

Croquis de la seccin transversal:

Clculo de la seccin transversal:A

1=

A2=

A3=

A4=

A5=

A = A1+ A

2+ A

3+ A

4+ A

5=

Clculo del permetro mojado:P

1=

P2=

P3=

P4=

P5=

P = P1+ P

2+ P

3+ P

4+ P

5=

Clculo de s/p =De la tabla 11, k =

Clculo del caudal Q = kAV =


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/57

Figura 19. Regla graduada en una seccin de control

> 2.2.4. Medidores de corriente o correntmetros

Tambin llamados molinetes, consisten en un mango con una hlice o copasconectadas al final. La hlice rota libremente y la velocidad de rotacin estrelacionada con la velocidad del agua. Un contador mecnico registra el nmerode revoluciones del propulsor que se ubica a la profundidad deseada. Otrosaparatos ms sofisticados utilizan impulsos elctricos. Con estos medidores esposible tomar muchas lecturas en una corriente y calcular la velocidad media.

Los medidores de corriente son suministrados con una frmula que relacionala velocidad de rotacin del instrumento con la velocidad de la corriente.Generalmente estos aparatos se usan para medir velocidad de 1.2 a 5 metros porsegundo, con un margen de error de 2 %.

Al igual que otros medidores de velocidad, el molinete debe ser sumergido bajoel agua. A menudo el fabricante coloca una marca en el mango del medidor paraindicar la profundidad de los labes.

> 2.2.5. Mtodo de la seccin de control y regla graduada

Es similar al mtodo del vertedero. Se diferencia en que la caracterstica fsica dela seccin se utiliza para controlar la relacin entre el tirante de agua y el caudal.El tirante de agua se refiere a la profundidad de esta en la seccin. Se ubica unaseccin de control donde un cambio dado en el caudal se traduce en un cambioapreciable en el tirante de agua en la seccin de control. Deber evitarse unaseccin de control ancha porque los cambios en el caudal resultarn en cambiospequeos en el tirante.

Si algn objeto obstruye la seccin de control o la erosin hace que la pendientecambie, entonces las lecturas siguientes no sern validas. El medidor, tpicamenteun listn de madera graduado, deber estar situado donde sea posible observarloy no est expuesto a daos (ver figura 19).Ntese que este mtodo es vlido paracomparar un caudal con otro, pero un caudal de referencia debe ser conocido yrelacionado con la tabla graduada de modo que se obtenga una estimacin cuan-titativa del caudal.


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> 2.2.6. Mtodo del vertedero de pared delgada

Un vertedero es una estructura similar a un muro de baja altura ubicado a loancho de un ro o canal. Un vertedero de medicin de caudal tiene una muesca atravs de la cual toda el agua de la corriente fluye.

Los vertederos son generalmente estructuras temporales, diseados de modo

que la descarga volumtrica pueda ser leda directamente o determinada poruna simple lectura de la diferencia de altura entre el nivel del agua antes delvertedero y en el vrtice o cresta de este.

Para obtener buenos resultados es recomendable utilizar vertederos de pareddelgada, se debe evitar que el sedimento se acumule tras de ellos. Estos vertederosse hacen con planchas de acero o de madera cepillada.

Segn la forma de abertura adyacente al lado superior, los vertederos puedenser triangulares, trapezoidales o rectangulares. Cada uno de ellos tiene su propiafrmula y condiciones especficas en cuanto a sus dimensiones(ver figura 20):

El vertedero triangular mide descargas pequeas con mayor precisinque los otros tipos

El vertedero trapezoidal, llamado tambin Cipoletti, puede compensar lascontracciones en los bordes con caudales reducidos, lo que introduceerrores en las medidas de vertederos rectangulares. La frmula paracontrolar la descarga se simplifica al eliminar el factor de correccin enlos vertederos rectangulares

El vertedero rectangular permite medir descargas mayores y su anchopuede ser cambiado para diferentes caudales

Figura 20. Tipos y frmulas para clculo del caudalen los tres tipos de vertederos


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/59

a. Consideraciones importantes para la fabricacin e instalacin de losvertederos

Los vertederos pueden ser de madera o metal y deben estar siempre orientadosperpendicularmente al sentido de la corriente. Hay que ubicar el vertedero enun punto donde la corriente sea uniforme y est libre de remolinos. La distanciaentre el fondo del lecho del ro y la cresta del vertedero, aguas arriba de este,deber ser al menos dos veces la altura mxima a medirse (carga del vertedero).No debe haber ninguna obstruccin al paso de agua cerca al vertedero y sus ladosdeben estar perfectamente sellados a fin de evitar fugas o goteos. Para ello puedeemplearse una lmina plstica. La cresta del vertedero deber ser lo suficientealta como para permitir que el agua caiga libremente dejando un espacio bajo elchorro.

Las crestas de vertederos trapezoidales y rectangulares deben estar a nivel.Los vertederos triangulares pueden usarse con un amplio rango de ngulos devrtice (el ngulo de 90 es el ms usado). Las ecuaciones para la mayora delos vertederos de pared delgada por lo general no son precisas para alturas muypequeas (menores a 5 cm).

En comparacin con otros, el vertedero triangular puede medir un rango mayorde caudales. La cresta del vertedero debe ser lo suficientemente ancha pararecibir la mayor descarga esperada. Por eso es necesario conocer los probablesvalores del caudal antes de seleccionar o disear un vertedero. Si se encuentranvelocidades de corrientes superiores a 0.15 m/s, ser necesario corregir la crestapor el efecto de la velocidad de aproximacin.

Cuando se construya un vertedero temporal simple, los problemas de selladopueden ser solucionados pegando una lamina plstica que se pone corriente

arriba al vertedero y se sujeta con arena y rocas.Las desventajas ms comunes de los vertederos son:

Si la cresta es muy ancha o profunda, la frmula tiende a subestimar ladescarga

Si la velocidad de aproximacin es muy alta, la descarga es tambinsubestimada

A continuacin presentamos la tabla 13 con datos de caudal obtenidos para un

vertedero rectangular.

Tabla 13. Mediciones y resultados con vertedero rectangularen litros/segundo

hL

Q0.5 m 1.0 m 1.5 m 2.0 m

5 cm 10 20 30 40 l/s

10 cm 27 56 84 113 l/s

20 cm 74 155 235 316 l/s


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/61

3.1. CanalesEl canal es un componente importante de las obras civiles de una microcentralhidrulica, su principal funcin es conducir el agua desde la bocatoma hastala cmara de carga, pasando por los desarenadores y otros mecanismos quepueden construirse en el trayecto.

> 3.1.1. 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.

En el caso del revestimiento, este ser necesario solo en lugares donde sejustifique (terrenos arenosos, gredosos, etc.), donde permita alta filtracin del

agua en movimiento.Es muy importante elegir correctamente el tipo de canal para cada parte delongitud del canal. Una vez elegido el tipo de canal y el material de revestimientocorrespondiente, se procedern a calcular las dimensiones adecuadas, ascomo el desnivel correcto entre el inicio y final de este. Dependiendo de lalongitud del canal, as como de las caractersticas geolgicas del terreno, sepueden combinar varios tipos de canal y ta

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