Diseño y Selección de Tuberías de Presión para Centrales Hidroeléctricas de Pequeña Escala, Esquemas y mapas conceptuales de Centrales Eléctricas

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ESTRUCTURAS

HIDRAULICAS

Mg. Amancio Rojas Flores

FUNCIÓN: Conducir el agua a presión de la cámara de carga a la turbina. El

propósito de la tubería forzada es transferir el agua a presión desde la

cámara de carga a las turbinas.

MATERIALES: Las tuberías de presión son fabricadas para soportar altas

presiones, pueden ser de acero, PVC, polietileno de alta densidad, asbesto,

cemento, etc.

PARTES: Dependiendo del material de la tubería, éstas contarán con

apoyos, anclajes, juntas de dilatación, tubo de aireación, cono de

aducción y otros accesorios. En el caso de tuberías de acero, éstas se

cubren normalmente con una capa anticorrosiva y necesitará volver a

pintarse cada cierto tiempo

2. Diámetro de la tubería de presión

EI diámetro debe ser determinado a base de un estudio económico. Mientras mayor es el diámetro menores son las perdidas hidráulicas en la tubería y mayor es la potencia que se puede obtener del salto pues se tiene que:

P  Q (^ H 102  h ) 

Siendo

eficiencia

h pérdidahidraulicaenm

H alturabrutadelacaidaenm

Q caudalenm s

P potenciaenkW

f ::

:

: /

: (^3)



Por otro lado, mientras menor es el diámetro menos cuesta la tubería y menores serán las anualidades de amortización que hay que pagar por la misma.

Figura 1 Determinación del diámetro óptimo de la tubería de presión.

A veces una evaluación analítica muy refinada no es justificable, pues muchos de los datos considerados son inciertos, ya que dependen de la existencia en el mercado de determinados tamaños y espesores de tuberías. Además los precios fluctúan con frecuencia

Por este motivo se han desarrollado algunas fórmulas que son suficientemente exactas para un diseño preliminar.

Así, tenernos que según Mannesman Rohren Werke el diámetro más económico está dado por las siguientes formulas: (Krochin, 1996 )

Para la altura de caída H < 100 m D^ ^7 0 ,^052 Q^3

Para H >100 m 7 5 ,^23

H

D  Q

En esta fórmula H = h + h 1

Siendo h = altura de caída bruta

t

h 0 , 15 LV

1  Sobrepresión debida al golpe de ariete

En la cual: t tiempodecierredelavalvuladelatuberiaensegundos

V Velocidaddelaguaenm s

L Longitud delatuberiaenm :

La fórmula es válida para t  500^ L

3. Pérdidas en la tubería de presión

Las pérdidas de carga o altura son generadas por la fricción de los elementos que componen la tubería de presión, como:

• La rejilla hr
• La entrada en la tubería hE
• Los codos hk.
• La fricción en el tubo hfricc
• Las válvulas hv
• Las bifurcaciones hram,
• El estrechamiento del tubo hestr

Las pérdidas en la tubería constituyen la suma de todas las pérdidas por fricción

ht  hr  hE  hk  hfrcc  hv  hram  hestr

Las pérdidas por fricción en la tubería de presión son las más importantes de todas (aproximadamente 90 %) debido a la longitud de la tubería, y pueden ser 10 % de la caída bruta. Estas pérdidas se determinan de la siguiente forma:

Pérdidas en la rejilla hr

g

h V r R. 2

2

donde R es el coeficiente de pérdidas (véase figura ) V es la velocidad del agua entrante a la rejilla (m/s)

Figura 2 Pérdida en en la rejilla por fricción

Pérdidas en codos hk

g

V hk (^) k 2

.

2  

donde hk_._ es el coeficiente de pérdida, que depende del ángulo del codo (véanse figura y tabla) V es la velocidad en el tubo (m/s)

Tabla 1 Coeficiente de perdida k para codos de tubos circulares  (grados) 10 ° 15 ° 22 , 5 ° 30 ° 45 ° 60 ° 90 °  k 0 , 044 0 , 062 0 , 154 0 , 165 0 , 320 0 , 684 1 , 265

Figura 4 Ángulo en un codo

Pérdidas por fricción en el tubo hfricc

g

V D

h L fricc. 2

2   donde  es el coeficiente de pérdida L es la longitud de la tubería (m) D es el diámetro interno de la tubería (m) V es la velocidad dentro del tubo (m/s)

El coeficiente de pérdida equivale a:

0 , 134 0 , (^01)  

  

  D

 k donde la constante k se determina en fundón del tipo de material ( véase tabla ).

Tabla 2 Valores de k para calcular el coeficiente de perdidas Material del tubo k Tubo de acero (nuevo) 1 , 15 Tubo de hierro fundido (nuevo) 2 , 50 Tubo de acero corrolado (en operación) 5 , 00 Tubo plástico 0 , 50

Pérdidas por bifurcación de la tubería hram

Estas pérdidas se presentan cuando la tubería de presión se divide para alimentar dos o más turbinas paralelas o cuando una turbina pelton tiene varias toberas.

g

h V ram ram. 2

2  

donde V es la velocidad del agua dentro del tubo antes de la bifurcación (m/s) ram , es el coeficiente de pérdida ( véase tablas ) depende de la velocidad de las corrientes parciales, de los diámetros y del ángulo de desviación del ramal (véanse figuras) Tabla 4 Coeficiente para bifurcaciones de tubos circulares de cantos aristas de diámetros iguales d=da Angulo de desviación  90 ° 45 ° Coeficiente de perdidas  ram

ram a ram d ram a ram d Qa /Q =0 0,95 0,04 0,90 0, 0,2 0,88 0,08 0,68 0, 0,4 0,89 0,05 0,050 0, 0,6 0,95 0,07 0,38 0, 0,8 1,10 0,21 0,35 0, 1,0 1,28 0,35 0,48 0,

Tabla 5 Coeficientes para tubos en Y simétricos con  = 45 ° y diferente admisión

da / d 1,0 0, Qa /Q ram’^ ram ram’^ ram 0,5 0,55 2,20 0,75 0, 1 0,50 0,50 1,35 0, Se debe considerar que ram se refiere a la velocidad del tubo ramal y ram’^ se refiere a la velocidad delante del tubo ramal

Figura 6 Tubo en Y simétrico

Figura 5 Tubo en Y asimétrico.