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UNIVERSIDADNACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
CONDUCCIONES HIDRAULICAS EN UNA PRESA
CENTRALES HIDROELECTRICAS
2023
INTEGRANTES:
GUTIERREZ TORRES, Evelin
LOYA OLIVERA, Lizbeth Fiorella
DOCENTE: Ing. YARASCA CORDOVA, Pedro
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Contenido
I. INTRODUCCION.........................................................................................................................3
II. OBJETIVOS.................................................................................................................................4
III. MARCO TEORICO...................................................................................................................5
3.1. ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDRAULICA......................................................................5
IV. CENTRALES HIDRAULICAS......................................................................................................7
4.4. ELEMENTOS DE UNA PRESA.................................................¡Error! Marcador no definido.
2.2 TIPOS DE TUBERIA REFORZADA............................................................................................22
2.2.1 Materiales empleados en la tubería forzada·.................................................................22
4.5. ANILLOS DE SOPORTE......................................................................................................25
4.6. DISEÑO HIDRÁULICO Y REQUISITOS ESTRUCTURALES.....................................................28
4.7. NUMERO DE TUBERIA......................................................................................................29
4.8. DIÁMETRO DE LA TUBERÍA...............................................................................................30
4.9. RESUMEN.........................................................................................................................31
4.10. PRESIONES...................................................................................................................32
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CONDUCCIONES HIDRAULICAS EN UNA PRESA
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I. INTRODUCCION
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua
almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica, para ello
necesitamos una conducción para el flujo que concurre en la presa, por tal razón
estudiaremos los componentes internos de una Centra Hidroeléctricas, especificando los
elementos mecánicos internos de la Central Hidroeléctrica como las Conducciones
Hidráulicas que se originan desde la toma de agua (Captación) y la retención de desechos
por las rejillas filtradoras sobre el embalse que existe en la presa, continuando con los
órganos de maniobra o casa de maquinas que es una construcción que se ubican las
maquinas _(turbinas, alternadores y elementos de regulación; la Tubería Forzadas y el
trabajo que realizan estos componentes para el funcionamiento y la generación de energía
eléctrica.
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II. OBJETIVOS
Conocer los componentes de la casa de maquinas , y sus respectivas funciones
Conocer la utilidad de la tubería forzada
Evaluar los tipos de tuberías forzadas para elegir un costo y diámetro adecuado.
Analizar las perdidas de carga que existen en las tuberías forzadas.
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III. MARCO TEORICO
III.1. ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDRAULICA
CENTRAL HIDRAULICA: Una central hidroeléctrica es aquella que genera electricidad
mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una
presa situada a un nivel más alto que la central.
El agua es conducida mediante una tubería de presión a la sala de máquinas de la central,
donde mediante turbinas hidráulicas se produce la generación de energía eléctrica en
alternadores. El agua que sale de la turbina es devuelta a su curso original a un nivel más
bajo respecto al que fue recogida.
T OM A D E AGU A . Zona de obra donde se capta el agua necesaria para el
accionamiento de las turbinas. Las aperturas por donde entra el agua están protegidas
para evitar que pasen a la turbina cuerpos en suspensión o flotación (limpieza periódica de
rejillas)
GALERÍA DE CONDUCCIÓN. El agua circula debido a los ligerísimos desniveles entre
sus extremos (velocidades pequeñas). Hechas de hormigón con juntas de dilatación para
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contrarrestar el efecto de los cambios de temperatura
TUBERÍA DE PRESIÓN O FORZADA . Soportan grandes presiones en toda su superficie.
Trazado según terreno. Hechas de acero con juntas de dilatación
CHIMENEA DE EQUILIBRIO . Amortigua el golpe de ariete. El agua fluctúa en ella según
la presión en las conducciones. Se sitúan en la zona de unión de las galerías de conducción y
las tuberías forzadas.
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IV. CENTRALES HIDRAULICAS
Las centrales hidráulicas de generación de energía eléctrica son las centrales más sencillas
y eficientes, con un relativamente bajo impacto medioambiental, ya que, a pesar de
inundar un valle y bloquear el curso del río, están obligadas a mantener un caudal
ecológico mínimo que garantice la pervivencia de los ecosistemas fluviales.
Estas centrales poseen una gran gestionabilidad mediante el control del caudal de agua
que turbinan, por lo que se emplean para la regulación de la demanda eléctrica,
aprovechando que pueden ser operadas de forma centralizada agrupadas por cuencas
hidrográficas. Los mayores inconvenientes que presentan estas centrales son sus
dependencias de la orografía del terreno, es decir, de encontrar saltos adecuados para su
instalación, y de las precipitaciones que se produzcan en la cuenca cada año.
El origen de la energía que aprovechan las centrales hidroeléctricas se encuentra
exclusivamente en el salto de altura entre las posiciones del agua antes y después de ser
turbinada (no se aprovecha la velocidad que alcance el fluido en la conducción, a
diferencia de los aerogeneradores
Funcionamiento
La energía eléctrica no se puede almacenar, debe ser consumida en el mismo instante en el
que se produce. esto significa que se debe conocer en todo momento la cuantía en la que
va a ser requerida, o al menos tener una previsión lo más aproximada posible, para estar
en condiciones de generarla. La evolución de la demanda de energía eléctrica en función
del tiempo se denomina curva de demanda, presentando máximos y mínimos que
corresponden a las horas de mayor y menor consumo, respectivamente, denominados
horas punta y horas valle. La forma de la curva se puede generalizar para los distintos días
del año, aunque la cifra asociada a los puntos que representan la misma, lógicamente,
varía de un día a otro. Independientemente del mes y del día, siempre hay que ajustarse a
la demanda y producir, con los diferentes tipos de centrales que se disponga, la energía
solicitada en cada instante.
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En este ajuste continuo de la producción a la demanda es necesario disponer de centrales
cuya potencia pueda ser fácilmente regulable, con una gran flexibilidad de operación. Las
centrales hidroeléctricas presentan estas características jugando un papel muy importante
en el conjunto del parque de centrales de generación de energía eléctrica de cualquier
país. Son instalaciones con una alta velocidad de respuesta ante los cambios de demanda,
lo que quiere decir que en unos minutos (2 - 3 en los grupos más modernos) pasan de
estar paradas a dar la potencia nominal. Esto no ocurre con las centrales de combustible
fósil o nuclear, que necesitan desde 6 - 8 horas hasta mas de 18, dependiendo de las
condiciones en las que se produzca el arranque de las mis- más. Por todo esto, las
centrales hidroeléctricas se convierten en instalaciones más adecuadas para cubrir las
puntas de demanda, así como para cubrir las bajas imprevistas de otras centrales.
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua
almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.
El agua de los ríos es retenida por medio de presas y luego es conducida por túneles y
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tuberías de alta presión hacia terrenos más bajos, al llegar a la planta generadora, el agua
lleva ya una enorme cantidad de ener- gía, la que se aprovecha para hacer girar turbinas
que accionan el alternador y produce la corriente eléctrica.
Dependiendo de las condiciones se utilizan distintos tipos de turbinas. Si la caída de agua
es importante se utilizan turbinas Pelton. Si las caídas son medianas turbinas Francis y si
son pequeñas turbinas Kaplan. Las turbinas a su vez hacen girar un generador que produce
la electricidad, ésta pasa a los transformadores y luego es transportada a los sitios de
consumo a través de las líneas de transmisión.
IV.1. CONDUCCIONES HIDRAULICAS A UNA CENTRAL
Conducciones: canales, túneles y tuberías forzadas
La alimentación de agua a las turbinas se puede hacer directamente a través del dique en
centrales a pie de presa o a través de un sistema de canalizaciones en el caso de centrales
en derivación.
En el caso de los canales estos pueden realizarse excavando el terreno en la ladera o de
forma artificial mediante estructuras de concreto. En todo caso las pendientes de los
mismos son muy débiles, del orden de algunas unidades por diez mil. En el proyecto del
canal deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: Buscar la solución que
represente la mayor economía, no sólo en construcción sino en explotación. Evitar el paso
por terrenos permeables, para reducir al mínimo los revestimientos, ya sean de arcilla, de
mampostería u otro mate- rial. La velocidad del agua en le canal se determina por las
conocidas fórmulas de Chezy, Bazin, Manning, etc... En saltos de gran caudal y poca altura
se reduce la pendiente en el canal para no perder carga, exigiendo en este caso mejor
acabado para reducir pérdidas y trabajos de limpieza, pues aumentará la sedimentación:
tam- bién el costo será mayor por unidad de longitud. Cuando el salto sea de gran altura y
poco caudal se puede admitir mayor pendiente en el canal y buscar soluciones más
económicas. La sección transversal a adoptar dependerá de la clase de terreno:
habitualmente para canales en roca se utiliza la sección rectangular y para canales en tierra
se utiliza la sección trapezoidal. También se suelen utilizar tuberías prefabricadas de
concreto para conducciones en lámina libre enterradas.
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En algunas ocasiones, para reducir la longitud del canal, puede justificarse la perforación
de túneles en la montaña, en cuyo caso hay que fijar bien los puntos de ataque y de apoyo,
de manera de no elevar demasiado los trabajos de excavación y revestimiento si éste se
hace necesario.
Para evitar grandes longitudes el desnivel del río debe ser grande y suele ir acompañado de
una orografía irregular, lo que dificulta la construcción de los canales. Por esta razón se
prefiere por lo general la solución del túnel en carga que no obstante su mayor costo, se
adapta mejor a las condiciones geográficas. Además en este caso la respuesta de la
instalación ante aumentos bruscos de demanda es mejor. Como contrapartida se re-
quieren estudios geológicos profundos y mayores dificultades de construcción, debiendo
tener gran cuidado en la transmisión de los esfuerzos de presión al terreno.
Desde este punto de vista el perfil circular es el mas adecuado pero su realización no es
fácil debido a la dificultad de circulación de las máquinas excavadoras sobre una superficie
cilíndrica, limitándose a las galerías que trabajan con presione elevadas o en terrenos de
calidad intermedia. En otros casos se prefiere el perfil en herradura o de curvatura, cuyas
características se muestran en las figuras.
La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga o la chimenea de equilibrio
hasta la turbina se llevan a cabo mediante tuberías forzadas. Debido a las variaciones de
carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que
evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y ála- bes de turbinas. A estas
sobrepresiones se las denomina golpe de ariete .
Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una
sobrepresión positiva , ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de
agua.
La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las
turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos resistencia para
penetrar al pozo que a la cámara de pre- sión de las turbinas haciendo que suba el nivel de
la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará.
Con ésto se consigue evitar el golpe de ariete.
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Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidráulico o un
condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.
Las tuberías de presión o tuberías forzadas se pueden construir de diferentes materiales
siendo los mas comunes: el acero, el concreto precomprimido o concreto armado y la
uralita, según sean los esfuerzos a que estén sometidas. Se suele definir la naturaleza de la
tubería por el valor del producto d X h, siendo d el diámetro de la tubería en metros y h la
carga o altura del salto en metros. Si el resultado es mayor que 1000 m2 se acon- seja
tubería de acero, pudiendo llegar a 2000 m2 o más, sin importar la relación de valores
entre d y h. Esto es, incluso para el valor de d =1m y h = 2000m. Para valores del producto
d X h comprendidos entre 200 m2 y 1000 m2 se suele emplear tubería de concreto armado
precomprimido. La altura de salto no debe ser superior a 500m. Las tuberías corrientes de
concreto armado no es prudente usarlas en saltos de más de 60 m, ni en valo- res del
producto d X h superiores a 200 m2. La uralita soporta presiones de 150 m de columna de
agua y se alcanzan productos dxh de 90 m2.
La elección del numero de tuberías no esta determinado por las características físicas del
aprovechamiento sino mas bien por motivos de mantenimiento y previsión que
determinan el marco en que se se desarrollan los proyectos industriales. La solución de
menor inversión es desde luego la de una sola tubería, siempre que se pueda realizar de
una sección transversal suficiente, pero en este caso, el conjunto de la instalación quedaría
fuera de servicio cuando, a consecuencia de un accidente o avería fuese necesario reparar
la tubería o alguno de sus órganos auxiliares (válvulas, compuertas, etc...). Cuando la
central consta de varios grupos, que es lo más normal es necesario, por motivos de
fiabilidad de la instalación, independizar el funcionamiento de los mis- mos, y este grado
de independencia es algo qué habrá que determinar en cada caso. En la figura de abajo se
muestra la evolución del diámetro de las tuberías y del costo de las mismas conforme
aumenta el numero de ellas. Es de notar que los valores numéricos están dados en forma
relativa tomando como base el casi de una única tubería.
IV.2. ORGANOS DE MANIOBRA
Es el equipo electromecánico, se dan algunas reglas preliminares para su diseño y se
exponen los criterios utilizados para su selección.
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En un aprovechamiento hidroeléctrico, la casa de máquinas tiene como misión proteger el
equipo electro-hidráulico que convierte la energía potencial del agua en electricidad, de las
adversidades climatológicas. El número, tipo y potencia de las turbinas, su disposición con
respecto al canal de descarga, la altura de salto y la geomorfología del sitio, condicionan la
topología del edificio.
La casa de máquinas está constituído por un edificio principal donde se encuentran la sala
de mando, los tres grupos hidráulicos, sala de transformadores y patio de llaves. La casa de
maquinas puede albergar los equipos siguientes:
• Compuerta o válvula de entrada a las turbinas
• Turbinas
• Generadores
• Sistemas de control
• Equipo eléctrico
• Sistemas de protección
• Suministro de corriente continua (control y emergencias)
• Transformadores de potencia e intensidad
• Etc.
La figura muestra un esquema de una casa de maquinas con toma de agua, integrada con
el azud y las rejillas, alojando una turbina Kaplan, de eje vertical acoplada directamente a
un generador, el tubo difusor y el canal de retorno, de uso frecuente en aprovechamientos
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de muy baja altura de salto. Para mitigar el impacto visual y sónico, la casa de maquinas,
como se ve, puede estar enteramente sumergida
Generadores:
La energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas se produce en los aparatos llamados generadores o alternadores. El alternador, o grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina que gira por la acción del agua genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta corriente posteriormente pasa a un trans- formador que la convierte en alta tensión y baja corriente, apta para su transporte a grande distancias con un mínimo de pérdidas. Más tarde, en los centros de consumo, un nuevo transformador la transforma en una corriente de baja tensión para su aplicación directa a los receptores domésticos e industriales.
Solidario con el eje de la turbina y del alternador, gira un generador de corriente contínua llamado excitatriz, que se utiliza para excitar magnéticamente los polos del estator del generador, creando un campo magnético que posibilita la generación de corriente alterna en el rotor.
El generador es una máquina, basada en la inducción electromagnética, que se encarga de transformar la energía mecánica de rotación, que proporciona la turbina, en energía eléctrica.
El principio de funcionamiento está basado en la ley de Faraday. Cuando un conductor eléctrico se mueve en un campo magnético, se produce una corriente eléctrica a través de él.
El generador (o alternador) está compuesto por dos partes fundamentales:
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- El rotor (o inductor móvil), que se encarga de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina.
- El estátor (o inducido fijo), sobre el que se genera la corriente eléctrica aprovechable.
En centrales menores de 1000 KW la tensión de trabajo del generador es de 380 o 500 voltios, y para potencias más elevadas la generación se produce en media tensión (3000, 5000 o 6000 voltios).
El generador puede ser de dos tipos: Síncrono o asíncrono.
Generador Síncrono.
En este tipo de generadores, la conversión de energía mecánica en eléctrica se produce a una velocidad constante llamada velocidad de sincronismo.
El campo magnético es creado por las bobinas arrolladas en los polos del rotor, para lo cual, por dichas bobinas debe de circular una corriente eléctrica continua. Para producir esta corriente continua, pueden emplearse diferentes sistemas de excitación:
Autoexcitación estática. La corriente proviene de la propia energía eléctrica generada, previamente transfor- mada de alterna en continua.
Excitación con diodos giratorios. Se crea una corriente alterna invertida, con polos en el estator y se rectifica por un sistema de diodos, situado en el eje común.
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Excitación auxiliar. La corriente necesaria se genera mediante una dinamo auxiliar regulada por un reostato.
Generador Asíncrono.
Dada la simplicidad, robustez y bajo costo de los clásicos motores eléctricos, éstos han comenzado a usar- se cono generadores eléctricos. Para ello es necesario que el par mecánico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la de sincronismo. Este exceso de velocidad produce un campo giratorio excitador. Interesa que la diferencia sea pequeña para reducir las pérdidas en el cobre del rotor.
Es necesaria la colocación de una batería de condensadores que compense la energía reactiva generada. La corriente para la creación del campo magnético se toma de la red, a la que se debe estar conectado.
El empleo de este tipo de generadores no precisa regulador de velocidad en la turbina. Para arrancar el gru- po se abre el distribuidor de la turbina hasta que se llega a una velocidad próxima a la de sincronismo y en este momento se conecta a la red por medio de un interruptor automático.
Equipo eléctrico general.
En una central hidroeléctrica, es necesario un equipamiento eléctrico que tiene por objeto la transformación de tensión, la medición de los diferentes parámetros de la corriente eléctrica en la central, la conexión a la línea de salida y la distribución de la energía.
Un elemento fundamental lo constituye el transformador de tensión. Dependiendo de la tensión de trabajo del generador, la transformación puede ser baja/media o media/alta tensión.
El objetivo es elevar la tensión al nivel de la línea existente para hacer posible un transporte sin pérdidas excesivas.
El transformador debe estar refrigerado, esta operación puede hacerse por convección natural o bien por circuito cerrado de aceite o silicona. Es habitual instalarlo en el interior del edificio de la central, aunque en ocasiones, por reducir la obra civil, los transformadores grandes se instalan a la intemperie.
Entre los equipos eléctricos necesarios se encuentran:
- Los disyuntores y seccionadores, utilizados para la conexión y desconexión a la red.
- Transformadores de medida, tanto de tensión como de intensidad, que proporciona los valores instantáneos de estas magnitudes en diversas partes de la instalación.
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- Transformadores de equipos auxiliares, que suministran la tensión adecuada para el buen funcionamiento de estos equipos.
- Pararrayos o autoválvulas, que actúan como descargadores a tierra de las sobreintensidades producidas.
En general, estos equipos se disponen en cuadros eléctricos situados en el interior del edificio de la central. Otro punto a tener en cuenta es la línea eléctrica necesaria para transportar la energía producida hasta los centros de consumo o hasta la red de distribución. El costo de la línea puede superar los dos millones de pese- tas por kilómetro, lo que puede influir en la viabilidad económica del proyecto, dependiendo de su longitud.
Las características de la red que es necesario conocer son: la frecuencia y la tensión. La primera es un dato de partida conocido (60 Hz), y la segunda puede oscilar desde 3 a 66 kilovoltios. La tensión nominal de la red existente tiene gran importancia ya que implica una transformación al mismo nivel, lo que puede suponer un elevado costo si se tuviera condicionado a conectar a una línea de alta tensión.
Elementos de regulación, control y protección.
En todo aprovechamiento hidroeléctrico, es necesario la instalación de diversos mecanismos que regulen y controlen el buen funcionamiento de la central, así como dispositivos de protección, tanto de la central como de la línea, ante los posibles fallos que puedan producirse.
Reguladores automáticos de las turbinas:
Cuando de produce una variación de carga en la turbina, se decir, cuando se modifica el par resistente que actúa sobre la misma, según se trate de aumento o disminución de dicho par, la turbina reducirá o aumentará el número de revoluciones con que estuviese en funcionamiento antes de producirse la variación de carga. Es necesario por consiguiente, adaptar el par motor al resistente, y esto se lleva a cabo regulando conveniente- mente la entrada de agua, para que aumentando o disminuyendo el caudal ( puesto que la altura del salto no se habrá modificado), se disponga en cada momento de la potencia requerida y con ello se obtendrá, salvo ligera variación, el número de revoluciones de funcionamiento normal de la turbina. En una palabra, la misión del regulador automático consiste en conseguir el equilibrio, en todo momento, de los trabajos motor y resisten- te para mantener sensiblemente igual y con todas las cargas el número de revoluciones de la turbina que con- viene a su funcionamiento.
En las centrales pequeñas y en servicios poco importantes, es posible efectuar esta regulación manualmente; pero cuando se trata de instalaciones expuestas a variaciones de carga de consideración, se precisa recurrir a la regulación automática.
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Se ha dicho y con plena razón, que el regulador es el alma de la turbina, y ciertamente el papel que aquel desempeña es de excepcional importancia.
Los principales bucles de control y sistemas de supervisión y mando en una central hidroeléctrica de peque- ña potencia son:
Para control de la turbina:
- Regulador de velocidad, para centrales con grupos síncronos.
- Reguladores de nivel para centrales con grupos asíncronos conectados a la red.
- Regulador de potencia generada, para centrales en red instalada.
- Regulador de caudal turbinado.
Para control del generador:
- Regulador de tensión para grupos síncronos.
- Equipo de sincronización, en caso de grupos síncronos funcionando conectados a la red.
- Batería de condensadores y relé taquimétrico, en caso de grupos asíncronos funcionando conectados a la red.
Para control de la turbina y del generador:
La instrumentalización necesaria para realizar este cometido, depende del tipo de generador utilizado, y del funcionamiento previsto. Se pueden considerar los siguientes casos:
1. Central con generador síncrono funcionando conectado a la red.
El control de la turbina no necesita un regulador de velocidad, puesto que la frecuencia está mantenida por la red, sin embargo es muy conveniente su instalación. El mando del distribuidor se realiza por medio de un servo-oleohidráulico, y las órdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.
El control del generador es un regulación del factor de potencia, ya que al estar conectado a la red, está fija la tensión, y la variación de la excitación modifica la potencia reactiva suministrada por el grupo.
El equipo automático de sincronización estará provisto de ajuste de velocidad y tensión del grupo, por medio de un relé de sincronismo.
2. Central con generador síncrono funcionando aislado.
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El control de la turbina debe asegurar el mantenimiento de la frecuencia de la red en cualquier condición de carga, necesitando por tanto un sistema de regulación de velocidad y de potencia.
El control del generador, necesita un regulador de tensión que actúe sobre la excitación del alternador, a fin de mantener la tensión dentro de los límites admisibles.
3. Central con generador asíncrono funcionando conectada a la red.
El control de la turbina no necesita un regulador de velocidad, puesto que la frecuencia está mantenida por la red. El mando del distribuidor se realiza por medio de un servo oleohidráulico, y las órdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.
El control del generador se consigue mediante una batería de condensadores estáticos controlados de forma continua por medio de tiristores.
Para la conexión del grupo a la red, deberá llevar un detector de velocidad que proporcione una señal cuan- do el grupo llegue a la velocidad de sincronismo, para ello se utiliza un relé taquimétrico que puede ser mecáni- co o eléctrico.
Las protecciones para las diferentes sistemas actúan cuando se produce un hecho anormal en el funciona- miento y pueden producir una alarma, la parada del algún grupo o la parada total de la central, dependiendo de cual sea le hecho acaecido.
Los principales hechos que pueden hacer actuar las protecciones, son los siguientes:
1. Protecciones mecánicas.
- Embalamiento de turbina y generador.
- Temperatura de eje y cojinetes.
- Nivel y circulación del fluido de refrigeración.
- Nivel mínimo hidráulico.
- Temperatura de aceite del multiplicador de velocidad.
- Desconexión de la bomba del aceite de regulación.
2. Protecciones eléctricas del generador y transformador.
- Intensidad máxima,
- Retorno de potencia (máxima admitida 5% de la nominal).
- Calentamiento del generador y/o del transformador.
- Derivación en el estator.
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- Producción de gases en el transformador (Buchholz).
- Nivel de tensión (entre el 85 y el 100% de la tensión nominal).
- Nivel de frecuencia (entre 47.5 y 51 Hz.)
3. Protecciones de la línea de media tensión.
- Derivación de una fase a tierra.
- Cortocircuito o inversión de fases.
- Sobreintensidad.
Equipos auxiliares.
En una central hidroeléctrica, aparte de los equipos principales anteriormente descritos, deben existir una serie de equipos auxiliares necesarios para el correcto funcionamiento de las instalaciones.
El consumo eléctrico de estos equipos auxiliares oscila alrededor del 2% de la producción de la central. Los equipos más comunes, que se pueden considerar como auxiliares dentro de la central, son:
- Ventilación.
- Alumbrado normal y de emergencia.
- Equipo de corriente continua empleado para alimentar las bobinas de desconexión del disyuntor y otras bo- binas de relés y conectores.
- Bombas para el drenaje de posibles fugas o achique en caso de inundación.
- Batería de condensadores, en caso de que exista grupo asíncrono, para mejorar el factor de potencia.
- Puente grúa, aunque en algunos casos puede ser suficiente una grúa portátil durante el montaje y operaciones de mantenimiento.
- Red de tierra, para limitar la tensión con respecto al terreno.
- Limpiarejas.
- Protección contra incendios.
- Agua de refrigeración.
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Automatización.
La automatización de una central tiene como objetivos: reducir los costos de operación y mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energético de la instalación.
El grado de automatización depende de varios factores, principalmente de: la ubicación de la central, el tipo de central, posibilidades de regulación, costo de personal y presupuesto.
Para una central ubicada cerca de un núcleo de población, con un acceso fácil y bajo costo de personal, una automatización mínima a base de relés convencionales sería suficiente; mientras que para una central aislada con un difícil acceso, altos costos de personal, se justificaría una instalación más completa para el sistema de automatización y telemando.
La automatización puede ser total, es decir, arranque, regulación y parada, o simplemente de parada y alarma, cuando actúa alguna de las protecciones de la central.
Hay diversos equipos mecánicos, como son limpiarejas y compuertas, cuyo funcionamiento también puede automatizarse.
La tecnología empleada puede ser convencional, es decir, mediante relés electromecánicos o estáticos o con técnicas informáticas basadas en microprocesadores con sus correspondientes programaciones que gestionarán todas las funciones de la central.
IV.3. TUBERIA FORZADA
Tubería forzada o de presión
Antes de penetrar en la rueda de la turbina, el agua recorre generalmente una tubería a presión dispuesta entre la cámara de carga (o la chimenea de equilibrio) y la sala de máquinas. Solamente en saltos de pequeña altura se puede hacer llegar directamente al distribuidor de la turbina el agua procedente del canal (turbinas de cámara abierta). A veces, si la turbina es instalada en el cuerpo mismo de la represa, la tubería forzada se reduce a un corto tramo de galería blindada.
Podemos mencionar tres tipos de tuberías de presión empleadas en los saltos: metálicas, de hormigón precomprimido o armado y de Uralita. Recordemos ante todo, la existencia
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de un coeficiente característico de las tuberías forzadas; se trata del producto: D x H, donde D en metros, es el diámetro de la tubería y H la altura del salto (en metros). Este coeficiente puede fácilmente alcanzar el valor de 2000 m2 para tuberías metálicas (limite alrededor de 2500 m2 y alrededor de 1000 para tuberías en concreto armado precomprimido con caídas de 400 – 500 metros como máximo.
Esto quiere decir, por ejemplo, que una tubería metálica de un metro de diámetro puede ser empleada hasta 2000 – 2500 metros de caída y una tubería de 4 metros de diámetro se puede utilizar para caídas de 50 – 60 metros.
Es prudente utilizar las tuberías de hormigón armado no precomprimido con no más de 60 m de caída y un producto D x H igual a 200 m2 como máximo.
Las tuberías metálicas instaladas al interior de una galería en roca pueden ser del tipo auto resistente si en el cálculo no se tiene en cuenta la “colaboración” de la roca en soportar la presión interna del agua; o bien del tipo metálico aligerado si una parte del esfuerzo se transmite a la roca por intermedio del espesor de concreto inyectado entre tubería y roca, así que esta última interviene para soportar la presión hidráulica.
Conforman los canales de conducción del agua desde las cámaras de carga hasta la entrada de las turbinas, más allá de las válvulas de salvaguardia. Son un elemento de crucial importancia en las centrales hidráulicas, de cuya durabilidad depende la de la planta.
Se construyen con diferentes materiales de alta resistencia como: acero al carbono laminado con soldadura helicoidal u ortogonal, acero de alto límite elástico, fundición de acero, fibrocemento con o sin alma de acero e incluso materiales sintéticos reforzados con fibra de vidrio, instalándose de forma: aérea, enterrada, en trinchera o mixta a lo largo de su recorrido.
Trabajan con agua a alta presión, a lo que se suman grandes esfuerzos, siendo los más graves: sobrepresiones interiores debidas a golpes de ariete o depresiones. Así mismo deben soportar efectos de fondo, cambios de dirección, oscilaciones térmicas, esfuerzos sísmicos, su propio peso y el del agua, agentes climatológicos, cargas locales debido a apoyos y anclajes o durante su montaje.
La suma de estos esfuerzos repercute directamente en el dimensionamiento de las paredes de la tubería y en el material de su construcción, lo que, en última instancia, se traduce en un encarecimiento de la instalación. Como veremos después, existen mecanismos como la válvula ventora para evitar depresiones, que ayudan a reducir los esfuerzos que deben soportar las tuberías.
Los soportes de la tubería forzada se componen de puntos fijos de apoyo y otros intermedios a lo largo de su longitud, que, junto con las juntas intermedias, codos y juntas
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de cierre, suponen los focos de problemas a lo largo de las tuberías forzadas más comunes, debiendo estar preparados para dilataciones y los consiguientes esfuerzos térmicos.
IV.4. TIPOS DE TUBERIA REFORZADA
4.2.1 Materiales empleados en la tubería forzada·
a) Acero
Se trata de una solución barata y eficaz, dado que se pueden conseguir tuberías
forzadas de cualquier diámetro y espesor. El empleo de acero resistente a la corrosión
evitara recubrimientos protectores cuando sea necesario y al mismo tiempo
aumentara la resistencia a la rotura y la tenacidad.
Las tuberías forzadas de acero en general se construyen mediante tramos rectos, que
van simplemente apoyados sobre pilares coincidiendo con los cambios de dirección.
Entre dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación.
Las paredes deben resistir tensiones combinadas correspondientes a su trabajo como
viga y a su condición de recipiente cilíndrico sometido a presión interna.
El momento flector será el correspondiente al de una viga continua. Las reacciones
sobre los apoyos se transmiten por esfuerzo cortante entre la chapa y los anillos de
soporte, que se diseñan basándose en el comportamiento elástico de los cilindros de
débil espesor. Dichos anillos se sueldan a la chapa mediante soldaduras continuas y se
rigidizan mediante diafragmas.
Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la
tubería llena de agua más las fuerzas de fricción correspondientes a los movimientos
de expansión y contracción. Esto lleva a que se recomiende cimentarlos, en la medida
de lo posible, sobre roca.
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–
Las grandes tuberías en acero deberán enterrarse siempre que el terreno no sea muy
rocoso. La arena y la grava que rodean una tubería enterrada, constituyen un buen
aislante, lo que permitirá eliminar un buen número de juntas de dilatación y de
bloques de anclaje. Una tubería enterrada, debe ser previamente pintada y protegida
exteriormente mediante, por ejemplo, una cinta enrollada que garantice su
resistencia a la corrosión. Si se hace así y la cinta no sufre daños durante el montaje,
la tubería necesitará un mantenimiento mínimo. Desde un punto de vista ambiental,
la solución es óptima, pues una vez recubierta no representará ningún obstáculo al
paso de los animales.
b) Hormigón
También pueden utilizarse tuberías de hormigón con revestimiento interior de chapa
de acero, armadas si es necesario con redondos de acero, o incluso presentadas con
alambres de alta resistencia y provistas de uniones de enchufe y cordón. Dado su
elevado peso, resultan difíciles de transportar y manejar en obra, pero en cambio no
exigen ningún tratamiento de protección contra la corrosión.
c) Polietileno
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–
El polietileno de baja y media densidad se aprovecha desde hace años en centrales con
baja altura de salto. El polietileno de altas prestaciones, en cambio, puede utilizarse en
saltos de hasta 160 m. Este material es pesado pero muy robusto.
d) PVC
Este material resulta competitivo en alturas de salto que pueden llegar a los 200 m.
Resulta más barato que el acero, su manipulación en obra es más sencilla y no
requiere ninguna protección contra la corrosión. Si se someten únicamente a
esfuerzos longitudinales pueden soldarse empleando disolventes o también pueden
unirse empleando conexiones mecánicas.
Como contrapartida, este material resulta sensible a la radiación ultravioleta, por lo
que las tuberías deberán enterrarse o recubrirse con cinta.
Una tubería de pequeño diámetro en PVC se puede instalar, extendiéndola
simplemente sobre el terreno y siguiendo su pendiente, con un mínimo recubrimiento
de tierra para su aislamiento. Estas pequeñas tuberías no necesitan ni bloques de
anclaje, ni juntas de dilatación. Además su fragilidad es mayor que en el acero. No son
aptas para ser instaladas en terrenos rocosos.
e) Aleaciones de plástico
Recientemente ha salido al mercado una tubería fabricada con una mezcla de PVC y
derivados acrílicos. Se puede utilizar en saltos de hasta 160 m, su espesor es menor
que el de las tuberías equivalentes de PVC y sus propiedades mecánicas son similares a
las del polietileno de altas prestaciones. A diferencia del PVC, se comporta dúctilmente
bajo carga, por lo que carece de sus problemas de rotura frágil.
f) Refuerzos de fibra de vidrio
Las tuberías reforzadas de fibra de vidrio poseen una elevada resistencia, su peso es un
20% inferior al del acero y sus costos son competitivos.
g) Polietileno de alta densidad
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Solo se suministran para diámetros de hasta 30 cm. Pueden ser instaladas al aire libre
y se pueden curvar del orden de cuarenta veces su diámetro (para curvas más
pronunciadas se puede recurrir a elementos prefabricados). Soportan temperaturas
menores de cero grados centígrados.
Su densidad menor que la del agua facilita su transporte al permitir arrastrar los
tramos de tubería flotando y tirados por un cable. Las uniones deben ser realizadas
mediante soldadura de fusión.
h) Madera
Material empleado en los países en vías de desarrollo en los que abunda la madera y la
mano de obra. Para diámetros de tubería de 1,5 m, puede ser instalada en alturas de
salto de hasta 120 m.
Estas tuberías se construyen con dovelas de madera creosotada y zunchadas con flejes
de acero, no necesitan juntas de dilatación ni soporte de anclaje y resisten a la
corrosión. Sin embargo, sufren dilataciones y fugas, requieren que el tubo este
siempre lleno de agua y el mantenimiento debe ser frecuente.
IV.5. ANILLOS DE SOPORTELos anillos de soporte se diseñan basándose en el comportamiento elástico de los
cilindros de débil espesor. La pared del tubo debe resistir las tensiones combinadas,
correspondientes a su trabajo como viga y como recipiente cilíndrico sometido a
presión interna. El momento de flexión será el correspondiente a una viga continua.
Las reacciones sobre los apoyos, propias de una viga continua, se transmiten, por
esfuerzo cortante, entre chapa y anillo. Para ello los anillos se sueldan a la chapa con
soldaduras continuas en rincón, y se rigidizan mediante diafragmas (figura ).
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–
Figura: Sistema de apoyo con junta de dilatación
Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la
tubería llena de agua, más las fuerzas de fricción correspondientes a los movimientos
de expansión y contracción; por eso se recomienda cimentarlos, siempre que sea
posible, sobre roca. Si dada la naturaleza del terreno los bloques de anclaje requieren
el empleo de grandes volúmenes de hormigón, y resultan por lo tanto muy costosos,
puede estudiarse la eliminación de uno de cada dos anclajes y de todas las juntas de
dilatación para que la tubería se deforme en el codo que queda libre. Para ello se
recomienda apoyar los tramos rectos de tubería en soportes en los que la zona de
contacto cubra un ángulo de unos 120º. Los apoyos fabricados por soldadura de
chapas y perfiles, se pueden recubrir, para reducir la fricción, con una placa de
amianto grafitado
Existen multitud de tipos de juntas de dilatación, pero la más utilizada es la de la figura
1. empaquetadura de cierre está formada por anillos de cordones de lino de sección
cuadrada, comprimidos mediante una pieza deslizante en acero que se atornilla a una
brida fijada a la tubería.
Hoy en día existe una gran variedad de materiales para tuberías forzadas. Para grandes
saltos y grandes diámetros, la tubería fabricada en acero soldado, con juntas
longitudinales y circunferenciales, sigue siendo la solución preferida, porque es
relativamente barata y porque puede conseguirse con el diámetro y espesor
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–
requeridos por el proyectista. Sin embargo, si se encuentra en el mercado tubería
espiral, soldada por arco sumergido o incluso por inducción, del tamaño apropiado
para el caudal de diseño, muy utilizada en gaseoductos y oleoductos, esa será, sin
duda, la solución más económica.
El acero, a medida que disminuye el salto, va resultando menos competitivo, porque el
espesor requerido para compensar la corrosión, interna y externa, no disminuye con el
espesor de pared, y porque se necesita un espesor mínimo para poder manipular los
tubos en obra sin que se deformen.
Figura 2: Diversos tipos de unión de tuberías
Para diámetros más pequeños hay un gran abanico de opciones: tubo de acero
estirado, con uniones de enchufe y cordón y anillos de cierre, o con bridas para
atornillar (figura 5.32) tuberías de hormigón, centrifugadas o pretensadas y tuberías de
amianto-cemento.
Los tubos con juntas de enchufe y cordón, construidos en acero, fundición dúctil o
PVC, con empaquetaduras flexibles no necesitan juntas de dilatación, ya que estas
absorben los pequeños movimientos longitudinales; tuberías reforzadas con fibra de
vidrio (GRP), de PVC o de polietileno (PE). Las tuberías de PVC resultan muy atractivas
para saltos de altura media (una tubería PVC de 0,4 m de diámetro puede utilizarse en
saltos de hasta 200 metros) porque son más baratas y más ligeras que las de acero y
no necesitan protección contra la corrosión. Las tuberías de PVC15 son fáciles de
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instalar porque vienen con uniones de enchufe y cordón. Debido a su baja resistencia a
los rayos UVA no pueden instalarse al aire a no ser que estén pintadas o recubiertas de
cinta protectora. Por el contrario las tuberías de PVC solo admiten radios de curvatura
muy grandes (100 veces el diámetro del tubo), su coeficiente de dilatación térmica es
cinco veces la del acero, y son bastante frágiles. Las tuberías de polietileno de alto
peso molecular, como el PE16, pueden ser colocadas sobre el terreno y admiten un
radio de curvatura de 20 a 40 veces su diámetro (existen piezas especiales para radios
más pequeños) y flotan en el agua pero solo pueden unirse por soldadura de fusión en
obra, para lo que se requieren maquinas especiales.
En la Tabla 5.4 se detallan las propiedades mecánicas más relevantes de los materiales
antes citados. Los valores del coeficiente Hazen Williams varían según sea el estado de
la superficie interior del tubo.
IV.6. DISEÑO HIDRÁULICO Y REQUISITOS ESTRUCTURALES
Una tubería forzada se caracteriza por el material empleado en su construcción, su
diámetro y espesor de pared y el tipo de unión previsto para su instalación.
• El material se escoge de acuerdo con las condiciones del mercado, teniendo presente su
peso, volumen, sistema de unión y coste.
• El diámetro se escoge para que las pérdidas por fricción se mantengan dentro de límites
razonables
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• El espesor de pared se calcula para resistir la máxima presión hidráulica interna incluido,
cuando sea previsible, el golpe de ariete y eventualmente los esfuerzos inherentes a su
trabajo como viga.
IV.7. NUMERO DE TUBERIALa elección del número de tuberías no está determinada por las características físicas del
aprovechamiento sino más bien por motivos de mantenimiento y previsión que
determinan el marco en que se desarrollan los proyectos industriales. La solución de
menor inversión es desde luego la de una sola tubería, siempre que se pueda realizar de
una sección transversal suficiente, pero en este caso, el conjunto de la instalación quedaría
fuera de servicio cuando, a consecuencia de un accidente o avería fuese necesario reparar
la tubería o alguno de sus órganos auxiliares (válvulas, compuertas, etc.). Cuando la central
consta de varios grupos, que es lo más normal es necesario, por motivos de fiabilidad de la
instalación, independizar el funcionamiento de los mismos, y este grado de independencia
es algo qué habrá que determinar en cada caso. En la figura de abajo se muestra la
evolución del diámetro de las tuberías y del costo de las mismas conforme aumenta el
número de ellas. Es de notar que los valores numéricos están dados en forma relativa
tomando como base el casi de una única tubería.
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–
IV.8. DIÁMETRO DE LA TUBERÍA.El diámetro es el resultado de un compromiso entre costo y pérdida de carga. La potencia
disponible para un caudal Q y un salto H viene dada por la ecuación:
P = QHγη
En la que Q es el caudal en m3/s, H la altura de salto neta en metros, γ el peso especifico
del agua en kN/m3 y η el rendimiento global del conjunto. El salto neto se obtiene
deduciendo del bruto la suma de todas las pérdidas de carga, incluidas las generadas por
fricción y turbulencia en la tubería forzada, ambas proporcionales al cuadrado de la
velocidad de la corriente. Para transportar un cierto caudal, una tubería de pequeño
diámetro necesitará más velocidad de corriente que otra de mayor diámetro, y
consecuentemente las pérdidas serán más elevadas. Escogiendo un diámetro pequeño se
reducirá el coste de la tubería pero las pérdidas de energía serán mayores y viceversa.
En el capítulo 2 se explicitan las ecuaciones más empleadas para el cálculo de las pérdidas
por fricción, haciendo especial énfasis en la representación gráfica de las ecuaciones de
Colebrook (el diagrama de Moody y las cartas de Wallingford) y en la formula de Manning.
En el presente capítulo se hace uso de aquellos fundamentos y se desarrollan una serie de
ejemplos, que facilitarán la aplicación de los conocimientos teóricos a los casos reales.
Un criterio simple para determinar el diámetro de una tubería, es el de limitar las pérdidas
de carga a un determinado porcentaje. Una pérdida del 4% de la potencia es un m valor
generalmente aceptable. Un enfoque más riguroso exigiría considerar varios diámetros
posibles, calcular la pérdida anual de energía en cada uno de ellos, y actualizarlas a lo largo
de la vida del aprovechamiento De esta forma se puede dibujar un gráfico con la curva
diámetros pérdidas actualizadas, al que se superpone el coste para cada diámetro. Se
suman gráficamente ambas curvas y el diámetro óptimo será el mínimo de la curva
resultante (figura 5.33).
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Figura: diámetro optimo de la tubería
En la práctica, en una tubería forzada, las pérdidas fundamentales son las de fricción; las
pérdidas por turbulencia en la tubería, al paso por la rejilla, a la entrada de aquella, en los
codos, expansiones, concentraciones y válvulas, son pérdidas menores. Bastará pues en
una primera aproximación calcular las pérdidas por fricción, utilizando por ejemplo la
ecuación de Manning.
Analizando la ecuación (5.14) se aprecia que, al dividir por dos el diámetro, las pérdidas se
multiplican por 40. Basta despejar D, en la (5.14) para poder calcular el diámetro de la
tubería que limite las pérdidas por fricción a los valores requeridos
IV.9. RESUMEN
Recordemos ante todo, la existencia de un coeficiente característico de las tuberías forzadas; se trata del producto: D x H, donde D en metros, es el diámetro de la tubería y H la altura del salto (en metros). Este coeficiente puede fácilmente alcanzar el valor de 2000
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m2 para tuberías metálicas (limite alrededor de 2500 m2 y alrededor de 1000 para tuberías en concreto armado precomprimido con caídas de 400 – 500 metros como máximo.
Esto quiere decir, por ejemplo, que una tubería metálica de un metro de diámetro puede ser empleada hasta 2000 – 2500 metros de caída y una tubería de 4 metros de diámetro se puede utilizar para caídas de 50 – 60 metros.
Es prudente utilizar las tuberías de hormigón armado no precomprimido con no más de 60
m de caída y un producto D x H igual a 200 m2 como máximo. La uralita soporta presiones de 150 m de columna de agua y se alcanzan productos dxh de 90 m2.
IV.10. PRESIONES
Presión de prueba en fábrica o presión de fábrica (Pf): Es aquella presión sobre la que se
timbran y clasifican los tubos comerciales, que habrán de superar en fábrica sin romperse
ni perder estanquidad.
Presión nominal (PN): Aquella por la que se conoce comercialmente y que sirve para
tipificar, clasificar y timbrar los tubos. Es un número convencional que coincide con la
presión de trabajo a 20ºC en tuberías de plástico (PVC y PE).
Presión de rotura (PR): Aquella a la cual se rompe la tubería
Presión de trabajo (PT): Máxima presión a la que se recomienda que trabaje el tubo, ya que
es la máxima presión interna a la que puede estar sometido un tubo en servicio a la
temperatura de utilización. Constituida por la presión de servicio más las sobrepresiones
accidentales que pudieran producirse, como por ejemplo las debidas al golpe de ariete.
Presión de servicio (PS): Presión a la que efectivamente se hace trabajar la tubería. Siempre
debe ser menor o igual que la presión de trabajo.
Se denomina coeficiente de seguridad al cociente Pr/PT
EMPUJE
El empuje sobre la superficie cilíndrica equivale al empuje sobre la proyección de la misma
en el plano diametral considerado.
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Considerando la presión muy superior al efecto de la gravedad, despreciando por tanto el
peso del líquido.
Para la presión de rotura
Según la presión que pueden soportar (PR), los tubos se clasifican en:
De baja presión < 3 atm
De media presión 3-10 atm
De alta presión > 10 atm
Las características que definen los tubos y accesorios son: diámetro, espesor y presiones.
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CONCLUSIONES
Tener en cunetas la perdida de fricción y de carga existentes en la tubería forzada Se debe elegir el tip de tubería de acuerdo a la zona donde se encuentra la obra. De acuerdo a la topografía dl terreno y de la precipitación existente se tomara en
cuenta la conducción hidráulica Se debe conocer que y de generador se tiene para así considerar distintos tipos de
protección. Contar una chimenea para evitar el golpe de ariete después de la tubería forzada. Parea calcular la tubería tener en cuenta el material, diámetro y el espesor. Cuando la tubería forzada es de menor diámetro, su velocidad es máxima.
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