DERECHOS RESERVADOS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
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DISEÑO HIDRAULICO DE PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS EN
RIOS DE BAJO CAUDAL
Trabajo Especial de Grado presentado ante la
Universidad Rafael Urdaneta para optar al título de:
INGENIERO CIVIL
Autor:
Alba M. Montes O.
C.I: 20.874.744
Anna V. Sudano U.
C.I: 21.225.917
Tutor Académico:
Prof. Ing. Ramón Cadenas
Maracaibo, Julio de 2012
DISEÑO HIDRAULICO DE PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS EN
RIOS DE BAJO CAUDAL
Montes, Alba
C.I 20.874.744
Urb. Santa Lucia
Maracaibo, Edo. Zulia
Teléfono: 0424-8275372
[email protected]
Sudano , Anna
C.I 21.225.917
Urb. Santa Lucia
Maracaibo, Edo Zulia
Teléfono: 0424-7363763
[email protected]
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Tutor Académico
Ing. Ramón Cadenas
AGRADECIMIENTO
Cuando un sueño se hace realidad, no siempre se le atribuye al empeño que
pongamos en realizarlo; detrás de cada sueño siempre hay personas que nos
apoyan y que creen en nosotros. Seres especiales que nos animan a seguir
adelante en nuestros proyectos, brindándonos de diferentes maneras su
solidaridad.
Por esto y más, agradecemos infinitamente a:
Papa Dios, por siempre guiarnos y permanecer junto a nosotras, en el camino
correcto;
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por darnos fuerzas y las herramientas necesarias para cumplir tan
anhelado sueño; por colocar las personas necesarias en nuestras vidas. Por
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simplemente ser nuestra mayor fortaleza. Eternamente estaremos agradecidas
contigo.
A nuestras familias, por ser apoyo incondicional en todo momento. Por
recordarnos lo fuertes e inteligentes que somos, y que el que quiere puede. Este
logro es de ustedes también. Los amamos.
Al Ing. Ramón Cadenas, nuestro profesor, tutor académico y ahora nuestro amigo
y casi COLEGA, por brindarnos desde el primer momento su apoyo al aceptar ser
nuestro tutor académico, por compartir con nosotras con mucha paciencia y
dedicación, sus múltiples conocimientos. Un profesional digno de admirar, por ser
una persona íntegra. Agradecidas con usted.
A nuestra profesora metodológica, Ing. Silvia García, por la dedicación brindada,
en cuanto a la metodología requerida para la realización de este trabajo.
A nuestra casa de estudio, Universidad Rafael Urdaneta, por permitirnos ser parte
de ella, brindándonos los conocimientos necesarios para ser unas excelentes
profesionales y seres humanos de calidad.
DEDICATORIA
El presente trabajo de investigación va dedicado principalmente a Dios, por darme
la convicción y las herramientas necesarias para llegar a la culminación exitosa de
esta etapa tan importante de mi vida.
A mi madre, Sonia Urdaneta y a mi padre, Valentin Sudano, por inculcarme los
valores necesarios para culminar mi carrera de manera sincera y triunfante, por
ser un apoyo incondicional y confiar ciegamente en mí en todos los momentos de
mi vida.
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A mis hermanos, Ángel Sudano y José Sudano, por ser cómplices y compañeros,
en todas las aventuras emprendidas durante mi vida.
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A mi abuela, Ana de Urdaneta, por ser uno de los amores y pilares de mi vida, por
ser quien me ha enseñado que con cariño y esmero se puede lograr cualquier
cosa.
A mi compañera de tesis, Alba Montes, por emprender este reto conmigo,
respaldándome en todas las decisiones tomadas, por fin podemos decir que lo
logramos.
Al resto de mis familiares y amigos, que de alguna u otra manera, me dieron
ánimos y energías para seguir adelante ante las adversidades.
ANNA V. SUDANO A.
DEDICATORIA
A Dios todopoderoso y a mi patrona la Virgen del Valle, por regalarme la vida y
permanecer en todo momento a mi lado, mostrando su grandeza y nobleza para
conmigo.
A mi mami, por ser mi amiga, mi mama, mi guía, mi mayor ejemplo a seguir como
mujer, y como ser humano. Por enseñarme que los problemas no se evaden, se
enfrentan. Que ser fuerte es la virtud de aquellos que por un ideal noble son
capaces de arrastrar mayores riesgos. Gracias mamita, este triunfo también es
tuyo.
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A mi papi, por confiar en mí siempre, por enseñarme los valores necesarios para
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ser quien soy, y recordarme que no se debe tener grandes cosas, para realizar
grandes obras, la humildad es la mayor virtud. Chamo, aquí está tu ingeniera.
A mis brujas amadas, Mary y Gloria, mil gracias por su apoyo incondicional, su
mano amiga en todo momento y su palabra precisa para cada ocasión. Ustedes
son y serán siempre, pieza fundamental en mi vida..
A mis sobrinas, Isabella, Anabella y la pichurra Sara Valentina, cada una llego en
el momento preciso a mi vida para alegrármela, con sus ocurrencias, travesuras,
risas y alegrías, para ustedes también es este logro, espero servirles como
ejemplo en su vida. Feliz de ser su titi. Las amo princesas.
A mi compañera de tesis y amiga Tina Sudano, por asumir este gran reto conmigo,
de inicio a fin. Otra meta alcanzada. Lo logramos amiga!
Demás familiares y amigos, por a pesar de las distancias, darme su apoyo
incondicional y sus bendiciones.
ALBA M. MONTES O.
MONTES OSSA, ALBA MARINA DEL VALLE , SUDANO URDANETA, ANNA
VALENTINA. “DISEÑO HIDRAULICO DE PEQUEÑAS CENTRALES
HIDROELECTRICAS, PARA RIOS DE BAJO CAUDAL”. Trabajo de grado, para
optar al título de Ingeniero Civil. Universidad Rafael Urdaneta, Escuela de
Ingeniería Civil. Edo. Zulia, Maracaibo, Venezuela. Julio, 2012.
RESUMEN
La presente investigación tuvo por objetivo realizar el diseño hidráulico de
microcentrales hidroeléctricas para ríos de bajo caudal, con la ayuda de una
extensa revisión bibliográfica, datos obtenidos en el Ministerio del Poder Popular
para el Ambiente (MINAMB), el Instituto Nacional de Estadísticas (INE) y el
Instituto Geográfico de Venezuela Simón Bolívar (IGVSB). Esta investigación se
caracterizó por ser un estudio descriptivo ya que a través de la recolección de
datos, se realizaron estudios sobre el diseño hidráulico, encontrando la altura neta,
caudal de diseño, potencia y rendimiento, entre otros; se seleccionó la tubería y el
tipo de turbina a utilizar. Su técnica de recolección de datos fue principalmente la
revisión documental. Para el diseño de la pequeña central hidroeléctrica, se utilizó
como referencia el río Guasare, ubicado en el estado Zulia, con el fin de contar
con datos alusivos a un río de bajo caudal; lo que se pretende dejar claro con esto,
es que dicho diseño, servirá para cualquier río de bajo caudal, que cumpla con las
especificaciones nombradas en el desarrollo del mismo. Así mismo se utilizó
como población de referencia, la población del sector Arimpia, de la parroquia El
Rosario, del municipio Rosario de Perijá.
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Palabras claves: diseño, microcentral, río de bajo caudal, turbina.
Correos electrónicos: [email protected],
[email protected].
MONTES OSSA, ALBA MARINA DEL VALLE , SUDANO URDANETA, ANNA
VALENTINA. “HYDRAULIC DESIGN OF SMALL HYDROELECTRIC PLANTS
ON LOW FLOW RIVERS ”. Special grade work, to obtain the Civil Engineer title
Rafael Urdaneta University, School of Civil Engineering. Zulia State, Maracaibo,
Venezuela. July , 2012
ABSTRACT
The present investigation was undertaken to make the hydraulic design of microhydro for low flow rivers, with the help of an extensive literature review, data from
the Ministry of Popular Power for the Environment (MINAMB), the National
Statistics Institute (INE ) and the Geographical Institute of Venezuela Simon
Bolivar (IGVSB). This research was characterized as a descriptive as through data
collection, studies on the hydraulic design, finding the net height, design flow,
power and performance, among others, was selected lines and type turbine to use.
His technique of data collection was primarily the document review. For the design
of small hydroelectric plant, was used as reference Guasare the river, located in
Zulia state, in order to have data alluding to a low river flow, which seeks to make
clear with this is that the design, will serve for any low-flow river, which meets the
specifications listed on its development. Also used as a reference population, the
population Arimpia sector, of the parish El Rosario, Rosario de Perijá municipality.
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Key words: design, micro-station, river low-flow, turbine.
Emails: [email protected], [email protected].
INDICE GENERAL
RESUMEN
ABSTRACT
pág.
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….
17
CAPITULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………….
19
1.1. Naturaleza del problema………………………………………………………
19
1.2. Objetivos de la investigación……………………………………………........
20
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1.2.1. Objetivo general………………………………………………………………
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1.2.2. Objetivos específicos………………………………………………………..
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1.3. Justificación……………………………………………………………………..
20
1.4. Delimitación……………………………………………………………………..
20
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO…………………………………………………
21
2.1. Antecedentes de la investigación…………………………………………….
21
2.2. Bases teóricas………………………………………………………………….
26
2.2.1. Demanda eléctrica…………………………………………………………...
26
2.2.2.Instalacion eléctrica ………………………………………………………….
27
2.2.3. Factores que se deben cumplir en una instalación eléctrica……………
27
2.2.3.1. Seguridad…………………………………………………………………...
27
2.2.3.2. Economía……………………………………………………………………
27
2.2.3.3. Previsión de futuro…………………………………………………….......
27
2.2.3.4. Simplicidad………………………………………………………………….
27
2.2.3.5. Confiabilidad………………………………………………………………..
28
2.2.3.6. Factibilidad de mantenimiento……………………………………………
28
2.2.4. Máquinas hidráulicas………………………………………………………..
28
2.2.5. Tipos de generación hidráulica…………………………………………….
28
2.2.5.1. Plantas convencionales……………………………………………………
29
2.2.5.2. Plantas de almacenamiento hidroeléctricas…………………………….
29
2.2.6. Río de bajo caudal……………………………………………………………
29
2.2.7. Tipos de ríos……………………………………………………………….....
29
2.2.7.1. Clasificación según período de actividad………………………………..
30
2.2.7.2. Clasificación según geomorfología………………………………………
31
2.2.8. Microcentrales………………………………………………………………...
32
2.2.9. Clasificación de las microcentrales hidroeléctricas………………………
32
2.2.9.1. Clasificación según su rango de potencia………………………………
32
2.2.9.2. Clasificación según la forma de utilización……………………………..
33
2.2.9.3. Clasificación según su concepción tecnológica……………………….
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2.2.10.1. La presa oR
azud……………………………………………………….....
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2.2.10. Elementos principales de una planta hidroeléctrica……………………
33
2.2.10.2. Vaso de almacenamiento…………………………………………….....
34
2.2.10.3. Tomas de agua……………………………………………………………
34
2.2.10.4. Pozo de oscilación…………………………………………………….....
34
2.2.10.5. Generador…………………………………………………………………
35
2.2.10.6. Turbina…………………………………………………………………….
35
2.2.10.7. Desfoque………………………………………………………………….
35
34
2.2.11. Proyectos y desarrollos hidroeléctricos en operación, encontrados en el
país…………………………………………………………………………………...
35
2.2.11.1. Microcentral hidroeléctrica Kavanayén………………………………..
35
2.2.11.2. Microcentral hidroeléctrica de Kamarata………………………………
36
2.2.11.3. Microcentral hidroeléctrica de Wonken………………………………..
36
2.2.11.4. Microcentral hidroeléctrica la Ciudadela……………………………....
36
2.2.12. Proyectos y desarrollos hidroeléctricos en construcción, encontrados en el
país…………………………………………………………………………………….
36
2.2.12.1. Microcentral de Santa Elena de Uairén………………………………..
37
2.2.12.2. Microcentral de Ikabarú………………………………………………….
37
2.2.12.3. Microcentral de Kamoirán……………………………………………….
37
2.2.13. Impacto ambiental de las minicentrales hidroeléctricas……………….
38
2.2.14. Turbinas……………………………………………………………………..
38
2.2.15. Tipos de turbinas…………………………………………………………...
38
2.2.15.1. Pelton………………………………………………………………………
39
2.2.15.2. Francis……………………………………………………………………..
40
2.2.15.3. Kaplan……………………………………………………………………..
41
2.2.16. Partes principales de las turbinas hidráulicas…………………………..
42
2.2.16.1. El rodete o rueda…………………………………………………………
42
2.2.16.2. El distribuidor……………………………………………………………..
42
2.2.16.3. La descarga……………………………………………………………....
42
2.2.16.4. El gobernador…………………………………………………………….
42
2.2.17. El agua………………………………………………………………………
43
2.2.18. Potencia hidráulica…………………………………………………………
44
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2.2.19. Cálculo de caudales………………………………………………………..
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2.2.19.1. Caudal instantáneo………………………………………………………
44
2.2.19.2. Caudal medio diario………………………………………………………
45
2.2.19.3. Caudal medio mensual…………………………………………………..
45
2.2.19.4. Caudal medio anual…………………………………………………….
45
2.2.20. Métodos de aforo de corrientes naturales más utilizados…………….
46
2.2.20.1. Aforo volumétrico………………………………………………………..
46
2.2.20.2. Aforo con vertederos y canaletas……………………………………..
46
2.2.20.3. Aforo con tubo de pitot…………………………………………………
47
2.2.20.4. Aforo con trazaderas fluorescententes o colorantes………………..
47
2.2.20.5. Aforo con trazadores químicos y radioactivos……………………….
48
2.2.20.6. Aforo con flotadores…………………………………………………….
49
2.2.21. Área de una tubería……………………………………………………….
51
2.2.22. Viscosidad cinemática……………………………………………………
51
2.2.23. Tipos de tubería……………………………………………………………
52
2.2.24. Rugosidad relativa………………………………………………………...
53
2.2.25. Número de Reynolds……………………………………………………..
54
2.2.26. Pérdidas primarias………………………………………………………..
54
2.2.27. Pérdidas secundarias…………………………………………………….
54
2.2.28. Diagrama de Moody………………………………………………………
55
2.2.29. Ecuación de Bernoulli…………………………………………………….
56
2.2.30. Altura efectiva……………………………………………………………...
56
2.3. Definición de términos básicos………………………………………………
59
2.4. Sistema de variables………………………………………………………….
59
2.4.1. Definición conceptual………………………………………………………
59
2.4.2. Definición operacional……………………………………………………...
59
2.4.3. Cuadro de variables………………………………………………………..
60
CAPITULO III. MARCO METODOLOGICO…………………………………….
61
3.1. Tipo de Investigación…………………………………………………………
61
3.2. Diseño de investigación………………………………………………………
62
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3.3. Población y muestra……………………………………………………….....
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3.4. Técnicas e instrumentos de recolección de información..........................
64
3.4.1. Revisión documental……………………………………………………….
65
3.4.2. Descripción de los instrumentos de recolección de información………
65
3.4.3. Instrumentos…………………………………………………………………
66
3.5. Procedimiento metodológico…………………………………………………
66
3.5.1. Estudio detallado de las características hidráulicas del río Guasare….
66
3.5.1.1. Ubicación geográfica del rio Guasare………………………………….
66
3.5.1.2. Obtención del caudal presentado por el rio Guasare………………...
67
3.5.1.3. Determinación de la temperatura del río……………………………….
70
3.5.2. Estudio de la topografía del suelo existente, en el cauce del río Guasare 70
3.5.2.1. Ubicación del plano altimétrico del rio en estudio…………………..
70
3.5.3. Estudio de la capacidad de generación de los diferentes tipos de turbinas
existentes en el mercado………………………………………………………….
71
3.5.3.1. Estudio detallado de cada una de las características físicas y funcionales
de los 3 tipos de turbinas más importantes existentes en el mercado……….
71
3.5.4. Proposición de la capacidad de generación de la turbina a utilizar…...
73
3.5.4.1. Cantidad de viviendas existentes en el sector Arimpia, de la
parroquia
El Rosario, Municipio Rosario de Perijá………………………………………….
73
3.5.4.2. Requerimiento energético total………………………………………....
73
3.5.4.3. Determinación del volumen medio de agua, almacenado por
el embalse…………………………………………………………………………
73
3.5.4.4. Determinación del caudal de diseño………………………………….
74
3.5.4.5. Determinación del diámetro de la tubería de presión……………….
74
3.5.4.6. Cálculo de la velocidad de circulación del agua por la tubería…...
74
3.5.4.7. Determinación de las pérdidas primarias (Hrp)……………………….
75
3.5.4.8. Determinación de las pérdidas secundarias (Hrs)…………………..
76
3.5.4.9. Determinación de la altura bruta a utilizar en el diseño (Hb)……….
77
3.5.4.10. Determinación de la altura neta o efectiva (Hn)……………………
78
3.5.4.11. Determinación de la potencia hidráulica a generar………………..
78
3.5.5. Proposición del diámetro de la turbina……………………………………
78
CAPITULO IV. ANALISIS DE LOS RESULTADOS…………………………..
79
4.1. Estudio detallado de las características hidráulicas del río Guasare……
79
4.1.1. Ubicación geográfica del río Guasare…………………………………….
79
4.1.2. Obtención del caudal presentado por el río Guasare…………………..
79
4.1.3. Determinación de la temperatura del río…………………………………
80
4.2. Estudio de la topografía del suelo existente, en el cauce del río Guasare
80
4.2.1. Ubicación del plano altimétrico del río en estudio……………………….
80
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4.3. Estudio de la capacidad de generación de los diferentes tipos de
Turbinas existentes en el mercado……………………………………………….
81
4.3.1. Estudio detallado de cada una de las características físicas y funcionales de
los 3 tipos de turbinas más importantes existentes en el mercado…………..
81
4.4. Proposición de la capacidad de generación de la turbina a utilizar……..
82
4.4.1. Viviendas existentes en el sector Arimpia, de la parroquia El Rosario,
Municipio Rosario de Perijá………………………………………………………
82
4.4.2. Requerimiento energético total……………………………………………
82
4.4.3. Determinación del volumen medio de agua, almacenado por el embalse 84
4.4.4. Determinación del caudal de diseño……………………………………...
85
4.4.5. Determinación del diámetro de la tubería de presión…………………..
85
4.4.6. Cálculo de la velocidad de circulación del agua por la tubería…………
86
4.4.7. Determinación de las pérdidas primarias (Hrp)………………………….
86
4.4.8. Determinación de las pérdidas secundarias (Hrs)………………………
86
4.4.9. Determinación de la altura bruta a utilizar en el diseño (Hb)…………..
87
4.4.10. Determinación de la altura neta o efectiva (Hn)……………………….
88
4.4.11. Determinación de la potencia hidráulica a generar……………………
88
4.5. Proposición del diámetro de la turbina……………………………………..
88
CONCLUSIONES………………………………………………………………….
89
RECOMENDACIONES…………………………………………………………....
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.……………………………………...........
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INDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Viscosidad cinemática.………………………………………………..
51
Tabla 2.2. Rugosidad absoluta de los materiales………………………………
53
Tabla 2.3. Cuadro de variables…………………………………………………...
60
Tabla 3.1. Registro de caudales medios diarios, año 1977……………………
67
Tabla 3.2. Cuadro comparativo de los tipos de turbinas……………………….
72
Tabla 4.1. Caudales medios mensuales, año 1977…………………………….
79
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Tabla 4.3. Requerimiento energético total………………………………………
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Tabla 4.4. Volúmenes
medios
mensuales
……………………....
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Tabla 4.5. Características de las tuberías de acero comercial………………..
85
Tabla 4.2. Requerimiento energético para una vivienda tipo………………….
83
84
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Turbina Pelton…………………………………………………………
39
Figura 2.2. Turbina Francis……………………………………………………….
40
Figura 2.3. Turbina Kaplan………………………………………………………..
41
Figura 2.4. Transformación de energía………………………………………….
44
Figura 2.5. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales.
46
Figura 2.6. Procedimientos de inyección y muestreo en un aforo con trazador
48
Figura 2.7. Esquema ilustrativo para aforo con flotador……………………….
49
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Figura 2.8.Diagrama de
Moody…………………………………………………..
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Figura 3.1. Mapa hidrográfico del estado Zulia………………………………....
66
Figura 3.2. Gráfico promedio de variación de temperatura durante un año….
70
Figura 3.3. Plano altimétrico de la cuenca del río Guasare……………………
71
Figura 4.1. Curva de nivel donde se ubicará el embalse………………………
81
Figura 4.2. Volumen medio de agua en el embalse……………………………
85
Figura 4.3. Curva de nivel donde se ubicará la casa de máquinas…………..
88
55
INTRODUCCION
La disponibilidad de la energía ha sido siempre esencial para la humanidad que
cada vez demanda más recursos energéticos para cubrir sus necesidades de
consumo y bienestar. Las energías renovables que provienen de fuentes
inagotables como el sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros
beneficios, son una de las piezas clave en la construcción de un sistema de
desarrollo sostenible.
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Actualmente las energías renovables han dejado de ser tecnologías caras y
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minoritarias para ser plenamente competitivas y eficaces de cara a cubrir las
necesidades de la demanda. Dentro de estas energías renovables se encuentra la
energía hidroeléctrica, como principal aliado en la generación de energía limpia y
autóctona. Es por esto que se sugiere la utilización de dicha energía en el país;
para esto, se ofrece un manual de diseño hidráulico para la implementación de
microcentrales hidroeléctricas en ríos de bajo caudal.
Se denominan
microcentrales hidroeléctricas, a aquellas centrales que producen electricidad
mediante la energía cinética del agua, y la devuelve a su cauce en las mismas
condiciones que es tomada. No consume ningún combustible y no contamina el
medio ambiente. Por su parte los ríos de bajo caudal, son aquellos cursos de agua
que durante un periodo determinado del año, o incluso por periodos prolongados,
presenta un caudal relativamente pequeño.
En el capítulo I, se encuentra detallado el problema y la justificación de esta
investigación, contando con los objetivos planteados para el desarrollo de la
misma.
En el capítulo II, se presenta los antecedentes de la investigación, bases teóricas,
definición de términos básicos y el cuadro de variables.
En el capítulo III, se describe la metodología descriptiva manejada para el
desarrollo de la investigación, dando una explicación de su tipo, diseño, así como
de las técnicas y herramientas a utilizar.
En el capítulo IV, se analizan los datos con sus respectivos resultados y su
análisis de interpretación.
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CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En este capítulo se formula el planteamiento del problema, se presenta la
justificación de la investigación y se definen el alcance y objetivos de la
investigación.
1.1.
Naturaleza del problema
La deficiencia energética por la que pasa en la actualidad el país, es una de las
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principales razones por las que se llevará a cabo este estudio; se espera plantear
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una solución viable y duradera a esta problemática, mediante la utilización de
pequeñas centrales hidroeléctricas; pretendiendo lograr con el diseño hidráulico y
aplicación de las mismas, la independencia energética de ciertas poblaciones que
posean ríos de bajo caudal, nunca antes tomados en cuenta en el país para
generar dicha energía.
La implementación de estas centrales en el país representa un gran avance, en
cuanto a materia energética se refiere. En estos tiempos en los que cumplir con el
abastecimiento requerido por la población se hace cada vez más difícil, es
necesario hallar e implantar una solución qué, así como efectiva sea rentable, y
ayude además a disminuir el impacto económico que generan las plantas térmicas
mayormente utilizadas en Venezuela.
El desarrollo e implantación de pequeñas centrales hidroeléctricas, ha de jugar un
papel importante en el abaratamiento de los costos, tomando en cuenta en este
punto la sustitución de los combustibles fósiles debido a sus altos costos.
Aunque, el hecho de elaborar una microcentral presente un costo inicial elevado
comparado con plantas térmicas; representaría a largo plazo una disminución de
costos, con respecto al consumo, logrando una mayor vida útil de la planta, y sin
estar sujetos (como se mencionó anteriormente), al incremento en los precios del
combustible y mantenimiento durante su operación.
Uno de los pocos factores en contra de este tipo de generación de energía, radica
en que, al requerir de la energía de las aguas para su funcionamiento, sólo es
posible su implantación en ríos específicos, que cumplan con las características
de gasto requeridas. Tomando en cuenta que muy rara vez la ubicación de dichos
ríos está cerca de los centros de consumo, por el contario, se encuentran a
grandes distancias; esto implica un costo adicional, al tener que asociar a estas
centrales mecanismos para trasladar la energía generada hasta los centros de
consumo.
Por las razones expuestas, se planteo el diseño de estas centrales a una menor
escala de generación o potencia, pudiendo así lograr su uso en ríos qué, aunque
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posean menor caudal, se localizan a distancias mucho menores de los centros de
consumo.
1.2.
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Objetivos de la Investigación
1.2.1. Objetivo General
Diseñar hidráulicamente pequeñas centrales hidroeléctricas, en ríos de bajo
caudal.
1.2.2. Objetivos Específicos
1. Estudiar las características hidráulicas, del río Guasare.
2. Estudiar la topografía del suelo existente en el cauce de dicho río.
3. Estudiar la capacidad de generación de diferentes tipos de turbinas.
4. Proponer la capacidad de generación de la turbina a utilizar.
5. Proponer el diámetro de la turbina.
1.3. Justificación
Esta investigación es un aporte a la sociedad venezolana, por cuanto plantea un
análisis aplicado para el diseño hidráulico de centrales hidroeléctricas en ríos de
bajo caudal, los cuales no son aprovechados en la actualidad para la producción
de energía eléctrica.
El estudio de uno de ellos, permitió conocer su comportamiento natural y algunas
de sus características; valores que permitirán ser utilizados posteriormente para
futuros estudios de los mismos; de igual forma para la futura implementación de
dicha central en él. Así mismo, presenta una pequeña, pero significativa solución a
la problemática energética venezolana, y a la dependencia estatal en materia
eléctrica.
Finalmente, desde el punto de vista metodológico, el presente trabajo generó
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S
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CHOS
aportes a futuras investigaciones, tomando en consideración los métodos a
DERE
emplear, conclusiones y recomendaciones para su aplicación en ríos que cumplan
con las especificaciones mencionadas, a nivel nacional.
1.4.
Delimitación
Espacial:
La investigación se realizó, en base a los datos obtenidos luego del estudio del río
que se tomo como referencia (Rio Guasare, ubicado en la región noroccidental del
edo. Zulia).
Científica:
El estudio se enmarca dentro de la ingeniería civil, específicamente en el área
hidráulica. Implica el estudio de la energía y caudal del río Guasare.
Temporal:
Esta investigación se realizó durante el periodo de Septiembre 2011 a Julio 2012.
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se presenta, los antecedentes y las bases teóricas que sustentan
la presente investigación.
2.1. Antecedentes de la investigación
Para desarrollar este Trabajo Especial de Grado, se consultaron las siguientes
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RE especial de grado denominado,
Hueso González 2007,Cen
su S
trabajo
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H
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D
ESTUDIO SOBRE EL IMPACTO SOCIAL, ECONOMICO Y AMBIENTAL DE
investigaciones:
PEQUEÑAS
CENTRALES
HIDROELECTRICAS
IMPLANTADAS
EN
COMUNIDADES RURALES DE LA PAZ, BOLIVIA, en la Universidad
Politécnica de Valencia, Facultad de Ingeniería, Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales, en La Paz Bolivia.
La presente investigación es un estudio del impacto que se ha generado desde el
punto de vista social, económico y ambiental con la implementación de
microcentrales y pico centrales hidroeléctricas en comunidades rurales aisladas
del Departamento de La Paz, Bolivia. Consisten en la realización de obras civiles y
la dotación de los equipos necesarios para poner en marcha una pequeña central
que suministre electricidad a la comunidad a partir de los recursos hídricos locales.
El objetivo general de este estudio es evaluar el impacto económico, social y
ambiental generado por la implementación de estas pequeñas centrales
hidroeléctricas, así como analizar la sostenibilidad en el tiempo de las mismas,
para poder generar campos de aprendizaje y recomendaciones. En el ámbito
económico se pretende analizar la contribución de los proyectos a la reducción de
la pobreza por ahorro doméstico en energía, ingresos derivados del aumento de la
productividad y beneficios comunales. En lo social, se busca evaluar los cambios
en salud, educación, relaciones sociales, confort, acceso a medios para la
comunicación y desarrollo de nuevas capacidades por parte de los comunarios. El
análisis medioambiental consiste principalmente en el cálculo de la reducción de
emisión de gases de efecto invernadero.
La utilización de este trabajo especial de grado como antecedente a este estudio,
permitió conocer y/o utilizar principalmente los datos obtenidos en cuanto a
sostenibilidad en el tiempo de las mismas. Así mismo, permitió utilizar como
referencia la evaluación sobre el impacto económico, social y ambiental generado
por la implementación de estas pequeñas centrales hidroeléctricas.
Por otra parte, se tomo como base de datos, los cambios en materia de salud,
S
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RE de grado denominado, DISENO
Eugenio Poza 2008, en suH
trabajo
S especial
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educación, relaciones sociales, confort, etc.
HIDRAULICO Y MECANICO DE LA CENTRAL MINIHIDROELECTRICA DEL
EMBALSE DE VALMAYOR, realizado en la Universidad Pontifica Comillas,
Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Industrial, en Madrid España.
Este proyecto se centra en el diseño hidráulico y de los elementos mecánicos de
una central mini hidroeléctrica a instalar en un emplazamiento adecuado para ello.
Se seleccionó el embalse de Valmayor, destinado al abastecimiento de agua a
Madrid, como emplazamiento para la central por reunir las condiciones adecuadas
de altura y caudal de salida del mismo. La central aprovechará el caudal de
abastecimiento para producir energía eléctrica, por lo que su instalación no
implicará cambios en la regulación del embalse ni en el caudal destinado a
consumo de agua potable. Para el cálculo del caudal nominal de la turbina se
emplearon los datos del histórico disponible en la Confederación Hidrográfica del
Tajo. Se tomó un año medio representativo de entre una serie de años lo
suficientemente grande (suficientes para incluir años húmedos, secos y normales).
Para acotar el salto neto, se realizaron consultas al Canal de Isabel II, al cual
pertenece el embalse de Valmayor. Teniendo en cuenta la cota a la que se sitúa el
nivel de agua abajo y las pérdidas de carga (primarias y secundarias) existentes
en los diferentes elementos de conducción intercalados entre la captación y la
turbina, se obtuvo una altura neta nominal de 25 m.
Mediante el estudio ambiental se concluyó que la construcción de la central de
Valmayor supone un impacto mínimo. Al ser de una potencia reducida no necesita
un espacio amplio para ser instalada y el impacto sónico es despreciable. El
impacto paisajístico también es leve al aprovechar un embalse ya existente, y el
principal impacto biológico se elimina al instalar rejillas en la captación del
embalse que impiden el paso de la fauna acuática a la tubería forzada. El
presupuesto incluye la totalidad del equipamiento, ingeniería, delineación,
montaje, controles de calidad y puesta en servicio.
Este estudio permitió utilizar datos, como la forma en la que se procedió para la
implementación de la microcentral; comenzando por la selección del embalse, la
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recolección de datos en materia hidráulica, como altura neta, cotas, perdidas de
DERE
energía, entre otras. Método que sirvió de gran ayuda, al momento de realizar una
selección correcta de las turbinas a utilizar.
Además permitió
utilizar como referencia el impacto ambiental y biológico
generado por esta.
Castellano 2008, en su trabajo especial de grado denominado, CENTRALES
ELÉCTRICAS MICROHIDRÁULICAS: APLICACIÓN EN UNA ZONA RURAL
SUBDESARROLLADA, realizado en la Escuela Politécnica Superior de
Ingeniería de Vilanova i la Geltrú, Facultad de Ingeniería, Escuela de
Ingeniería Mecánica, en Chambamontera Perú.
La implementación de microcentrales hidroeléctricas en zonas subdesarrolladas
permite acceder a la energía eléctrica a comunidades rurales, cuando las
dificultades para disponer del suministro a partir de las líneas eléctricas de
transporte son insalvables por motivos de aislamiento o de coste económico.
Previo análisis general de estas microcentrales, presentaremos los resultados más
relevantes en un estudio práctico para la posible implementación de una
microcentral en Perú, concretamente en el pueblo de Chambamontera, provincia
de Jaén. Se ha descrito, en parte, los componentes y las tecnologías más
apropiadas para la microcentral, centrándose el estudio principalmente en la
selección de los componentes eléctricos, como son la turbina hidráulica, el
generador y el transformador. Además, se propone utilizar un método de gestión
para pequeños sistemas eléctricos aislados para analizar la posible viabilidad
económica.
La presente investigación nos permitirá comprobar que si es posible el hecho de
implantar una microcentral hidroeléctrica en una población rural, que por razones
económicas no cuenta con la generación eléctrica requerida. Así como también
nos permitirá conocer los estudios que deberán realizarse previamente a la
elección de los componentes eléctricos que permitirán poner en funcionamiento la
central.
SFLUYENTES:
ADO
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CHOS
Moreno 2009, en su trabajo especial de grado denominado, titulado
CONTROL
DERE
DE
MINICENTRALES
HIDROELECTRICAS
MODELADO Y ESTABILIDAD, realizado en el Departamento de Ingeniería
Civil: Hidráulica y Energética, Escuela E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos
(UPM), Madrid España.
La implantación de minicentrales hidroeléctricas está experimentando un
considerable impulso en los últimos años. En los países desarrollados las
minicentrales permiten obtener energía en aquellas localizaciones donde una gran
central no sería viable además de minimizar el impacto ambiental que produce la
obra civil (presa, edificio de la central…). En los países en vías de desarrollo las
minicentrales permiten la electrificación de zonas rurales alejadas de los grandes
núcleos de población proporcionando un empuje decisivo para su crecimiento
socioeconómico. La gran mayoría de minicentrales son fluyentes, es decir,
carecen de un elemento almacenador suficientemente grande que les permita la
regulación del caudal turbinado de la energía producida. La pequeña potencia
instalada (menos de 10 MW) tampoco les permite contribuir al mantenimiento de la
frecuencia de la red, salvo que operen en isla, lo que ocurre en muy contadas
ocasiones. Por tanto, en el caso de minicentrales fluyentes, es recomendable la
operación de la central con el control de nivel en el azud de derivación o en la
cámara de carga, porque posibilita la reducción de la superficie del embalse o de
la cámara y permite combinar su uso hidroeléctrico con otros como puede ser el
regadío.
El primer objetivo de la presente tesis es la elaboración de un modelo matemático
en el entorno de programación MATLAB, que simule la operación de una
minicentral hidroeléctrica fluyente con control de nivel. Dicho modelo se aplica a
las tres tipologías de minicentrales más comunes: a pie de presa, en derivación
con canal en lámina libre y cámara de carga y en derivación con galería en presión
y chimenea de equilibrio. Todos los modelos se implantan en una central de
referencia y mediante simulaciones se comprueba su comportamiento dinámico.
Merece especial mención el modelo de canal obtenido a partir de la linealización
de las ecuaciones de Saint Venant y el posterior desarrollo de su matriz de
S
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transferencia que permite su conexión con los demás componentes del modelo.
DERE
Una vez elaborados los modelos se procede al estudio de la estabilidad en
pequeña perturbación de la central en condiciones normales de operación. Para
ello, siguiendo las teoría de control clásico, se linealizan las ecuaciones que
reflejan la dinámica de cada componente de la central dando lugar a su
formulación canónica y a la matriz dinámica del sistema.
Este estudio tiene un aporte significativo a este trabajo de investigación a futuro,
permitiéndonos controlar y posteriormente, comprobar a través de el modelo
matemático proporcionado por el mismo,
la eficiencia y efectividad de la
minicentral a evaluar, siendo el caso de que se trabaje con minicentrales fluyentes.
2.2. Bases teóricas
Comúnmente llamadas Minicentrales, forman parte de un nuevo enfoque de la
problemática energética.
Es un sistema de energía, en el que se conjugan diversos elementos de la
compleja relación, energía, tecnología, sociedad, ambiente y costos.
Anónimo, s.f. Central hidroeléctrica. “Recuperado el 12, noviembre, 2011” de
“http://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctrica”. Una pequeña Central
Hidroeléctrica, es una instalación, donde se utiliza la energía hidráulica, para
generar reducidas cantidades de electricidad, desde 5 KW – 5000 KW, por medio
de uno o más conjuntos de grupos de turbinas, de acuerdo a la demanda en cada
sector, y las proyecciones de los valores de producción a nivel de planta a la
energía despachada.
2.2.1. Demanda eléctrica
Anónimo, s.f. ¿Qué significa demanda eléctrica? “Recuperado el 3, julio, 2012” de
“http://www.txu.com/es/property-management/customer-care/understanding-dema
nd.aspx”. La demanda eléctrica es una medida de la tasa promedio del consumo
eléctrico de sus instalaciones en intervalos de 15 minutos.
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En general, mientras más aparatos eléctricos se encuentren funcionando al mismo
tiempo, mayor es la demanda.
DERE
En la mayoría de los casos, los cargos por demanda se incluyen como un
componente de la factura de servicio eléctrico para empresas y para clientes
comerciales e industriales
2.2.2. Instalación eléctrica
Anónimo, s.f. Introducción a las instalaciones eléctricas. “Recuperado el 12,
noviembre, 2011” de “http://www.mitecnologico.com/Main/InstalacionElectrica”. Se
le llama instalación eléctrica al conjunto de elementos que permiten transportar y
distribuir la energía eléctrica, desde el punto de suministro hasta los equipos que
la utilicen
2.2.3. Factores que se deben cumplir en una instalación eléctrica
Según Penissi, O (1995). Microcentrales hidroeléctricas en Venezuela. Existen una
serie de propiedades que debe poseer una instalación eléctrica cualquiera:
2.2.3.1. Seguridad
Son los lineamientos generales para el manejo de riesgos en la industria. La
evaluación de los riesgos mayores debe ser parte integrante de la preparación de
un proyecto.
2.2.3.2. Economía
Es aquella parte de la economía que se encarga de estudiar la formación de
precios en mercados imperfectos y en condiciones de equilibrio parcial. Se debe
analizar las interdependencias de las empresas dentro de los mercados.
2.2.3.3. Previsión de futuro
Es similar a la idea de pronóstico (conocer lo futuro a través de indicios).
2.2.3.4. Simplicidad
S
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D
A
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R
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S
E se basa en el entendimiento
Pero es que el punto central O
deS
la R
simplicidad
H
C
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R
E
profundo del D
asunto que se quiere transmitir y en la capacidad de hacerlo de una
Hablar de la importancia de la simplicidad puede parecer superfluo por lo obvio.
forma clara y concisa, es decir, en conseguir el máximo efecto de comunicación
con la mínima energía.
2.2.3.5. Confiabilidad
Es un término utilizado para expresar un cierto grado de seguridad de que un
dispositivo o sistema, opera exitosamente en un ambiente específico, durante un
cierto período.
2.2.3.6. Factibilidad de mantenimiento
La factibilidad de mantenimiento se refiere a la disponibilidad de los recursos
necesarios para llevar a cabo el mantenimiento de las instalaciones eléctricas, con
el fin de que estas cumplan con sus objetivos o metas señaladas.
2.2.4. Máquinas hidráulicas (centrales)
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
#mas”. Una máquina es un dispositivo que produce movimiento. En general, se
busca que la máquina haga girar un eje o flecha, de manera que ésta accione
algún dispositivo cuya utilización nos interesa. Cuando la máquina es accionada
por la fuerza del agua o transmite a ella su energía se dice que es una máquina
hidráulica.
En el primer caso se habla de una turbina y en el segundo una bomba, que son los
dos tipos de máquinas hidráulicas. Las turbinas al ser accionadas por la energía
del agua, producen energía mecánica que es transformada en eléctrica al
transmitir su movimiento a un generador.
2.2.5. Tipos de generación hidráulica
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Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
DERE
#mas”. Hay dos tipos de plantas hidroeléctricas, las plantas convencionales y las
plantas de almacenaje y bombeo.
2.2.5.1. Plantas convencionales
Las plantas convencionales usan de una sola vez el flujo para generar electricidad.
Los dos tipos convencionales de plantas son plantas de río y las plantas de
almacenamiento. Las plantas de río usan muy poca o casi ningún almacenamiento
de agua y por ello no requiere de represas o reservorios, por lo que son menos
costosas que las plantas de almacenamiento. Pero los cambios de clima y los
cambios de estaciones provocan que estas plantas posean grandes cambios en la
potencia de salida.
2.2.5.2. Plantas de almacenamiento hidroeléctricas
Poseen suficiente agua almacenada para compensar todas las fluctuaciones
temporales del flujo de agua. Estas plantas también proveen el mismo valor de
energía a lo largo del año. El agua es normalmente almacenada durante el
período de alto flujo y luego es liberada durante los períodos de bajo flujo. La
mayoría de las plantas de almacenamiento operan en un ciclo anual de relleno,
pero algunas poseen suficiente capacidad de almacenamiento para regular el flujo
durante períodos prolongados de sequía.
2.2.6. Río de bajo caudal
Anónimo,
s.f.
Riachuelo.
“Recuperado
“http://definicion.de/riachuelo/”.
el
Un riachuelo es
29,
octubre,
un
2011”
pequeño
de
curso
de agua de poco caudal. El término, diminutivo de río, puede utilizarse como
sinónimo de arroyo (una corriente de agua de bajo caudal que suele fluir con
continuidad).
2.2.7. Tipos de ríos
Anónimo,
s.f.
Río.
DERE
S 2011”
O
D
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el
25,
octubre,
E
S
CHOS RE
“Recuperado
“http://es.wikipedia.org/wiki/R%C3%ADo#Tipos_de_r.C3.ADos”.
Los
ríos
de
se
clasifican de la siguiente manera:
2.2.7.1. Clasificación según período de actividad
•
Perenne
Estos ríos están formados por cursos de agua localizados en regiones de lluvias
abundantes con escasas fluctuaciones a lo largo del año. Sin embargo, incluso en
las áreas donde llueve muy poco pueden existir ríos con caudal permanente si
existe una alimentación freática (es decir, de aguas subterráneas) suficiente. La
mayoría de los ríos pueden experimentar cambios estacionales y diarios en su
caudal, debido a las fluctuaciones de las características de la cobertura vegetal, de
las precipitaciones y de otras variaciones del tiempo atmosférico como la
nubosidad, insolación, evaporación o más bien, evapotranspiración, etc.
•
Estacionales
Estos ríos y ramblas son de zonas con clima tipo mediterráneo, en donde hay
estaciones muy diferenciadas, con inviernos húmedos y veranos secos o
viceversa. Suelen darse más en zonas de montaña que en las zonas de llanura.
•
Transitorios
Son los ríos de zonas con clima desértico o seco, de caudal que a veces, en los
cuales se puede estar sin precipitaciones durante años. Esto es debido a la poca
frecuencia de las tormentas en zonas de clima de desierto. Pero cuando existen
descargas de tormenta, que muchas veces son torrenciales, los ríos surgen
rápidamente y a gran velocidad. Reciben el nombre de wadis o uadis, a los cauces
casi siempre secos de las zonas desérticas, que pueden llegar a tener crecidas
violentas y muy breves.
•
Alóctonos
S
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S RseEha tomado como ejemplo de este tipo
O
más lluviosas. El Nilo en
Egipto
siempre
H
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Son ríos, generalmente de zonas áridas, cuyas aguas proceden de otras regiones
de ríos. También el Okavango, otro río africano que termina en un amplio delta
interior en una cuenca endorreica de clima relativamente seco.
2.2.7.2. Clasificación según geomorfología
Según la geometría en planta que adopta la corriente, se pueden clasificar los ríos
en tres tipos básicos: rectilíneo, meándrico, y anastomosado (braided en inglés).
Los parámetros utilizados para esta clasificación son la sinuosidad (Sinuosidad de
un río) y multiplicidad. Esta última depende del número de barras que divide la
corriente en varios brazos.
•
Rectilíneo
Estas corrientes se caracterizan por una sinuosidad baja (menor a 1,5) y
multiplicidad 1, es decir, un único canal. Son muy inestables, tendiendo a
evolucionar a otros tipos de río. Tienen caudal de alta energía y gran capacidad
erosiva.
•
Anastomosado
Estas corrientes presentan canales múltiples. Tienen gran capacidad de transporte
y sedimentación. Tienen menor energía que las corrientes rectilíneas, por lo que,
al encontrarse con obstáculos, tienden a modificar su trayectoria adecuándose al
relieve y a los sedimentos en el fondo del cauce, siendo la deposición en el fondo
de sedimentos de granulometría heterogénea durante la época de aguas bajas, la
principal responsable de la división del cauce en los canales anastomosados, es
decir, divididos dentro del propio cauce. A medida que se van estabilizando las
islas de sedimentos, puede llegar a desarrollarse en ellas una vegetación pionera
primera y más estable después, aprovechando la dotación de agua que
proporciona el propio río. A veces estos ríos pueden contener corrientes con gran
capacidad de división.
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REa 1,5) y canal único. Su característica
S(mayor
Este tipo de río tiene sinuosidad
alta
O
H
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principal es la unidad geométrica llamada meandro, curva completa sobre el canal,
•
Meándrico
compuesto por dos arcos sucesivos. En contraste con los dos tipos anteriores, las
corrientes fluviales meandriformes combinan un carácter erosivo (generalmente,
en la parte cóncava de la curva o meandro) y sedimentario (en la orilla convexa).
Estas diferencias se deben, como es obvio, a la distinta velocidad de las aguas en
las dos orillas.
2.2.8. Microcentrales
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
#mas”. En ocasiones, se hace necesario el empleo de la electricidad en zonas
muy remotas, pero aledañas a ríos; las pequeñas hidrocentrales o llamadas
también minicentrales requieren de muy poco o casi nulo represamiento de las
aguas, además de turbinas de muy bajo tamaño. En el caso particular de
Venezuela, la empresa EDELCA ha instalado algunas de estas microcentrales con
éxito en la Gran Sabana. Las centrales de tipo hidráulica, requieren de la energía
de las aguas, las cuales solo son potencialmente alcanzable en específicos ríos,
cuya ubicación raramente coincide con la disposición de los centros de consumo,
por el contrario, por lo general se ubican a grandes distancias, siendo necesario
asociar a estas centrales mecanismos para trasladar la energía generada hasta
los centros de consumo, siendo este uno de los pocos factores en contra de este
tipo de generación.
2.2.9. Clasificación de las microcentrales hidroeléctricas
Anónimo, s.f. Central hidroeléctrica. “Recuperado el 17, noviembre, 2011” de
“http://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctrica”.
Las
microcentrales
hidroeléctricas se clasifican de la siguiente manera:
2.2.9.1.
Clasificación según su rango de potencia (KW)
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CHOS
•
Minicentrales 50 - 1000 KW
•
Pequeñas Centrales 1000 - 5000 KW
DERE
2.2.9.2. Clasificación según la forma de utilización
•
Captación: Puede ser, la toma desde un río o de un embalse.
•
Operación: la operación diaria puede ser continua o discontinua.
•
Por su regulación: puede ser manual o automática, y de carga variable.
Se pueden diseñar como centrales aisladas o centrales integradas a pequeñas
redes comunales o integrando varios municipios.
2.2.9.3. Clasificación según su concepción tecnológica
•
Centrales con tecnología convencional:
Obras civiles de calidad en la toma.
Canal y cámara de carga.
Tuberías de acero.
Equipo electromecánico, con normas de países desarrollados.
Tableros ampliamente instrumentados.
•
Centrales de tecnologías no convencionales:
Se considera la utilización y mejoras de tomas y canales existentes.
La cámara de carga instalada en línea sobre el canal.
Desarenador.
Tuberías de presión en materiales no metálicos.
Equipo electromecánico diseñado y construido con tecnologías apropiadas a las
condiciones específicas del país.
Tableros modulares simples, con un mínimo de instrumentación.
2.2.10.
Elementos principales de una planta hidroeléctrica
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
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#mas”. Los principales elementos de una planta hidroeléctrica son:
DERE
2.2.10.1. La presa o azud
Es el primer elemento encontramos en un aprovechamiento hidroeléctrico, la cual
se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Las presas, por lo regular
cumplen la especialidad de embalsar el agua, y los azudes de desviar el río. Con
estas construcciones se nombra un determinado nivel de agua antes de la
contención, y otro nivel diferente después de la misma, ese nivel se aprovecha
para producir energía.
2.2.10.2. Vaso de almacenamiento
Constituye los niveles mínimos normales y máximos del agua en la presa, de
manera tal que pueda operar eficientemente el sistema hidroeléctrico.
2.2.10.3. Tomas de agua
Son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta
las máquinas por medio de canales.
Son utilizados para la conducción o canalización del agua desde la toma hasta la
turbina específicamente. Los espesores o diámetros de estos canales o tuberías
son calculados a través de formulas en función de las diferentes presiones
necesarias para proporcionar un golpe positivo a los arietes de las turbinas para
así poder hacer girar el rotor del generador con las revoluciones por minutos
necesarias para poder generar energía eléctrica.
2.2.10.4. Pozo de oscilación
Es una conducción destinada a la limitación de la presión, que por causa del cierre
de la conducción, puede tomar valores elevados. Esto es debido a que este tipo
de instalación, en una larga conducción de agua al cerrarse las válvulas de
entradas del agua a las turbinas, la masa del líquido circulante tiene una elevada
energía cinética, que es menester desarrollar para evitar elevados golpes de
S
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ariete. El pozo de oscilación no es más que un adecuado depósito que permite
DERE
elevar el nivel de agua, transformando la energía cinética en energía potencial.
2.2.10.5. Generador
Es una máquina eléctrica generadora de corriente alterna que consiste en un
dinamo cuyo inducido es un carrete abierto que gira entre uno o varios pares de
polos alternados (norte sur), o bien, inversamente, en un electroimán multipolar
que gira dentro del inducido. Se encuentra ubicado dentro de la casa de máquina.
2.2.10.6. Turbina
Como ya se mencionó anteriormente la turbina no es más que una máquina que
aprovecha directamente la fuerza de un fluido, generalmente agua o vapor,
mediante la reacción que produce una rueda de paletas helicoidales. Se encuentra
acoplada al generador dentro de la casa de máquinas.
2.2.10.7. Desfoque
Es llamado también tubo de aspiración, y sirve como conducto de salida del agua,
que pasa por el ariete de la turbina y produce el movimiento de la misma .
2.2.11. Proyectos y desarrollos hidroeléctricos en operación, encontrados en
el país
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
#mas”. En Venezuela, en la actualidad están en operación las siguientes
microcentrales:
2.2.11.1 Microcentral hidroeléctrica Kavanayén
Cerca del río Apacairao, posee una turbina Francis de fabricación Suiza, que
transforma la caída nominal de 44 mts., con un caudal de 0,35 mts3/seg., en 110
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kw de potencia, para una población de 376 habitantes aproximadamente.
DERE
2.2.11.2. Microcentral hidroeléctrica de Kamarata
Puesta en servicio en 1962, ubicada en la Misión de Kamarata (Edo. Bolívar),
cerca de la quebrada Tapere, posee una turbina Francis de fabricación Española,
con una caída de 7 mts., y un caudal de 1,5 mts3/seg., de agua, permitiendo
generar 125 kw de potencia para servir a una población de 571 habitantes
aproximadamente.
2.2.11.3. Microcentral hidroeléctrica de Wonken
Instalada en 1983, ubicada en la misión que lleva su nombre en el Edo. Bolívar,
entre los ríos Caruay y Macarupuey en la cuenca del Alto Caroní posee una turbo
máquina del tipo Banki diseñada y construida por EDELCA, con una caída de 7
mts. De altura es capaz de generar 60 kw de potencia para una población de 350
pobladores aproximadamente.
2.2.11.4. Microcentral hidroeléctrica la Ciudadela
Instalada en 1988, este es un caso típico a los planteados anteriormente, ya que
no sirve a un pueblo o comunidad indígena, sino a una instalación militar del
Ejército (Batallón de Selva GID. Mariano Montilla), se encuentra ubicada en el
extremo oriental del Edo. Bolívar, hidrológicamente se encuentra a 3 km. del Río
Tarotá y a 18 km., del Río Aponguao. Microcentral de San Ignacio y San Francisco
de Yuruaní: inauguradas en 1988, en las poblaciones del mismo nombre en el
Municipio Urdaneta del Edo. Bolívar, hidrológicamente ubicados cercanos al Río
Yuruaní,
permitirá
servir
a
una
población
mayor
de
500
habitantes
aproximadamente.
2.2.12. Proyectos y desarrollos hidroeléctricos en construcción, encontrados
en el país
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
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#mas”. En Venezuela, en la actualidad están en construcción las siguientes
DERE
microcentrales:
2.2.12.1. Microcentral de Santa Elena de Uairén
Ubicada en la población del mismo nombre en el Edo. Bolívar, hidrológicamente
ubicada en la cuenca del Río Uairén, tributario del Río Kukenan.
2.2.12.2. Microcentral de Ikabarú
Ubicada en la población de Ikabarú en el Municipio de Pedro Coya del Edo.
Bolívar, hidrológicamente se ubica en la cuenca del río Ikabarú, afluente directo
del río Caroní.
2.2.12.3. Microcentral de Kamoirán
Ubicada en la comunidad indígena Pemón de Kamoirán, al noreste de la Gran
Sabana en el Edo. Bolívar, hidrológicamente se encuentra en la cuenca del río
Kamoirán.
2.2.13. Impacto ambiental de las minicentrales hidroeléctricas
Ochagavía, Manuel José (2006). El impacto de las centrales hidroeléctricas en
nuestros
ríos.
“Recuperado
el
14,
noviembre,
2011”
de
“http://www.riosysenderos.com/ baul/centraleshidroelectricas.htm”. A diferencia de
los grandes aprovechamientos hidroeléctricos, las minicentrales hidroeléctricas
tienen pocas repercusiones negativas sobre el ecosistema donde se realizan. El
nivel del impacto tiene relación directa con el tamaño de la minicentral y con las
técnicas empleadas para construirla, generar la energía y distribuirla.
Las más pequeñas prácticamente no tienen efectos ambientales negativos, debido
a sus reducidos reservorios, las pequeñas represas, cortos y estrechos canales o
tuberías, pequeñas caídas y reducido espacio destinado a la maquinaria turbo
generadora.
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CHOS
Además, está el hecho de que preferiblemente deben emplearse recursos
DERE
constructivos locales, lo que permite obviar la construcción de vías por donde
transiten maquinas pesadas o camiones. El material local permite que la obra esté
más integrada al medio, incluso desde el punto de vista estético — escénico.
Sí podrían presentarse pequeños conflictos derivados de alternativas de uso del
agua y de la tierra; sin embargo, un tratamiento adecuado de esos potenciales
problemas, con la participación de la comunidad, pueden disminuir el eventual
conflicto.
Los efectos negativos de una minicentral hidroeléctrica bien concebida, sobre la
calidad, la cantidad y disponibilidad del agua, son nulos. En cuanto a la calidad y
uso de la tierra, ocurre lo mismo.
2.2.14. Turbinas
Pellejero, Idoia, s.f. Apuntes de máquinas hidráulicas. “Recuperado el 20,
noviembre,
2011”
de
“http://www.ehu.es/inwmooqb/maq-hiraulicas/APUNTES
%20DE%20MAQUINAS%20HIDRAULICAS%2007-08.pdf”.
Las
turbinas
hidráulicas son máquinas de gran versatilidad y eficiencia, de construcción simple
y robusta, que se adaptan a las más diversas condiciones de operación.
Conectadas a un generador eléctrico pueden trabajar como base o puntas
indiferentemente; pueden pasar desde el estado de fuera de servicio hasta el de
plena carga en corto tiempo y con un reducido número de operaciones; se ajustan
rápidamente a cualquier condición o variación de la carga; el mantenimiento es
escaso y distanciado y requieren un mínimo de atención para la operación, lo que
permite su total automatización.
2.2.15. Tipos de turbinas
Según González, F. (1999). Microcentrales hidroeléctricas en Venezuela.
“Recuperado el 9, noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos
13/micro/micro.shtml#mas”. Las turbinas utilizadas en la generación hidroeléctrica,
son de varios tipos, entre las que destacan: Turbinas Pelton, Francis (Reacción) y
Kaplan, existiendo otros tipos menos difundidos, y encuentra aplicación práctica
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en situaciones particulares; especialmente en microcentrales.
DERE
2.2.15.1. Pelton
Utilizada en general para grandes saltos y pequeños caudales, el rodete Pelton
está formado por una rueda en forma de disco o llanta en cuya periferia van un
álabes en forma de doble cuchara. El distribuidor está formado por uno o más
inyectores constituidos por una boquilla con una aguja de inyección controlada por
el gobernador y un deflector. (Figura 2.1).
Las turbinas Pelton pueden ser de eje horizontal o vertical, de uno o de dos
rodetes, con distribuidores de un inyector o varios inyectores hasta seis.
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Figura 2.1. Turbina Pelton.
(http://instalarq2+Sistema+de+Suministro+y+distribuci%C3%B3n+de+la+energ
+el%C3%A9ctrica)
2.2.15.2. Francis
Utilizada para saltos intermedio, entre 40 y 400 metros, la rueda Francis está
formada por álabes (8 ó 15), fijados entre dos bridas y al eje. El distribuidor está
constituido por dos anillos equipados de paletas, uno exterior de paletas fijas y uno
interior cuyas paletas están controladas por el gobernador; estos anillos son
alimentados periféricamente por el agua desde la tubería forzada mediante el
caracol o tubería espiral. La descarga de la rueda se hace por la tubería de
aspiración que termina por debajo del nivel del agua de la restitución. (Figura 2.2).
El agua que llega por la tubería forzada se reparte gradual y uniformemente por la
periferia del distribuidor mediante la caja o tubería espiral y es orientada por las
paletas fijas hacia las paletas móviles. Estas últimas permiten regular totalmente el
gasto abriendo o cerrando por el control.
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DERE
Figura 2.2. Turbina Francis
(http://www.sapiensman.com/ESDictionary/F/Technical_vocabulary_Spanish(F16A).htm).
2.2.15.3. Kaplan o Hélice
Utilizada para bajos saltos, la rueda Kaplan está formada por un eje al cual están
fijadas palas o hélices que son de paso variable (Kaplan) o fijo (Hélice). El
distribuidor y el tubo de aspiración son iguales a los de las turbinas Francis.
(Figura 2.3).
El funcionamiento es igual al de la Francis, la diferencia está en que los conductos
están cerrados por una pared fija y los álabes no modifican sustancialmente las
velocidades relativas.
Las turbinas Hélice y Kaplan son sólo de eje vertical.
Otras variantes de las Kaplan son los grupos bulbo y turbinas tipos pozo o tubular,
que pueden ser de eje horizontal o inclinado.
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DERE
Figura 2.3. Turbina Kaplan.
(http://www.textoscientificos.com/energia/centrales-electricas/hidraulicas)
2.2.16.
Partes principales de las turbinas hidráulicas
Anónimo, s.f. ¿Cuáles son las partes principales de una turbina hidráulica?.
“Recuperado el 2, noviembre, 2011” de “http://www.solucionespracticas.org
.pe/contenido.php?id=336&idcate=51”.
Los
siguientes
son
los
principales
componentes de una turbina hidráulica:
2.2.16.1. El rodete o rueda
Consiste en unos conductos definidos por los álabes unidos a un eje, que es el
elemento activo donde se produce la conversión de la energía.
2.2.16.2. El distribuidor
Es la parte fija que sirve de unión entre la conducción del agua y el rodete, sirve
de guía del flujo e incluye las transformaciones de formas de, energía hidráulica
para su uso en la rueda.
2.2.16.3. La descarga
Es la parte fija de unión entre la salida del rodete y el desagüe o restitución. En las
ruedas Pelton, este elemento es virtual y en las turbinas de reacción está formado
por un difusor llamado tubería de aspiración.
2.2.16.4 El gobernador
Es el mecanismo de regulación.
2.2.17. El agua
Anónimo,
s.f.
Agua.
“Recuperado
el
19,
octubre,
2011”
de
S
ADO
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CHOS
“http://es.wikipedia.org/wiki/Agua”. Es una sustancia cuya molécula está formada
por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H 2 O). Es esencial para la
DERE
supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua,
generalmente, se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede
hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en forma gaseosa denominada vapor.
El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza
principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total,
los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos
(acuíferos), los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se
reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera,
embalses, ríos y seres vivos.
Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura.
El agua en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial,
empleándose en tareas de refrigeración, transporte y como disolvente de una gran
variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico absorbe el 10% restante.
El agua es esencial para la mayoría de las formas de vida conocidas por el
hombre, incluida la humana. El acceso al agua potable se ha incrementado
durante las últimas décadas en la superficie terrestre. Sin embargo estudios de
la FAO, estiman que uno de cada cinco países en vías de desarrollo tendrá
problemas de escasez de agua antes del 2030; en esos países es vital un menor
gasto de agua en la agricultura modernizando los sistemas de riego.
2.2.18.
Potencia hidráulica
Anónimo, s.f. Oleodinámica: potencia hidráulica, motor de la industria. Parte 1.
“Recuperado
el
3,
julio,
2012”
de
“http://www.tec.url.edu.gt/
boletin/URL_06_MEC01.pdf”. En el caso de la potencia hidráulica tomamos en
consideración el flujo o caudal de la bomba y el proceso de conversión de la
energía. Incluye la transformación de energía eléctrica en energía mecánica
rotacional en el motor; transformación de energía rotacional de la bomba a energía
hidráulica; o potencia hidráulica y por último el actuador convierte la potencia
hidráulica en potencia mecánica al realizar un trabajo sobre la carga.
S
ADO
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CHOS
Podemos apreciar de mejor forma esta secuencia de transformación de la energía
DERE
en la siguiente secuencia grafica. (Fig. 2.4).
Figura 2.4. Transformación de energía.
(http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_06_MEC01.pdf)
La siguiente formula indica la relación que se puede encontrar entre la potencia
hidráulica, el flujo y la presión generada.
(Ec. 2.1.)
Donde:
se refiere al peso especifico del fluido, Q caudal, Hn altura neta y e
eficiencia.
2.2.19. Calculo de caudales
Anónimo,
s.f.
Caudal.
“Recuperado
“http://es.wikipedia.org/wiki/Caudal_(fluido)”.
el
23,
Existen
octubre,
distintas
2011”
fórmulas
de
para
calcular los distintos tipos de caudales presentados a continuación:
2.2.19.1. Caudal instantáneo
Como su nombre lo dice, es el caudal que se determina en un instante
determinado. Su determinación se hace en forma indirecta, determinado el nivel
del agua en el río (N 0 ), e interpolando el caudal en la curva calibrada de la sección
determinada precedentemente. Se expresa en m3/s.
(Ec. 2.2.)
2.2.19.2. Caudal medio diario
Es la media de los caudales instantáneos medidos a lo largo del día. Si la sección
de control es del tipo limnimétrico, normalmente se hacen dos lecturas diarias de
nivel, cada 12 horas.
S
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R
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S
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R
CHOS
DERE
(Ec. 2.3.)
Si la sección es del tipo limnigráfico convencional, es decir que está equipada con
un registrador sobre cinta de papel, el hidrólogo decide, según la velocidad de
variación del nivel del agua, el número de observaciones que considerará en el
día. Siendo M, el número de puntos considerado, la fórmula anterior se
transformará en la siguiente:
(Ec. 2.4.)
Si la sección es del tipo telemétrico, donde el registro del nivel del agua se hace a
intervalos de tiempo determinado de (en segundos), el número diario de registros
será de:
(Ec. 2.5.)
2.2.19.3. Caudal medio mensual
El caudal medio mensual es la media de los caudales medios diarios del mes en
examen (M = número de días del mes, 28; 30; o, 31, según corresponda):
(Ec. 2.6.)
2.2.19.4. Caudal medio anual
El caudal medio anual es la media de los caudales medios mensuales.
(Ec. 2.7.)
2.2.20. Métodos de aforo de corrientes naturales de agua más utilizados
Anónimo, s.f. Aforo de corrientes naturales. “Recuperado el 23, octubre, 2011” de
“http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/aforamientocorriente
s/aforodecorrientes.html”. Existen 6 métodos de aforo para corrientes naturales,
véase a continuación su definición y desarrollo:
S
ADO
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S
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CHOS
DERE
2.2.20.1. Aforo volumétrico
Se aplica generalmente en los laboratorios de hidráulica, ya que solo es funcional
para pequeños caudales; sin embargo se pueden implementar también en
pequeñas corrientes naturales de agua.
El aforo volumétrico consiste en medir el tiempo que gasta el agua en llenar un
recipiente de volumen conocido para lo cual, el caudal es fácilmente calculable
con la siguiente ecuación:
(Ec. 2.8.)
2.2.20.2. Aforo con vertederos y canaletas
Se utilizan principalmente en la medición de caudales en pequeñas corrientes, en
canales artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales es muy
restringido. Un funcionamiento típico de un vertedero para aforar corrientes
naturales se muestra en la figura 2.5.
Figura 2.5. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales.
(Marbello, R. Hidrometría y Aforo de Corrientes Naturales. Universidad Nacional
de Colombia. Departamento de Ingeniería Civil)
S
O
D
A
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S
SenRlaEmedición de velocidades en flujo a
O
H
mayor aplicación
seC
encuentra
E
R
E
D
2.2.20.3. Aforo con tubo de pitot
Su
presión, es decir, flujos en tuberías. Sin embargo, también se utiliza en la medición
de velocidades en canales de laboratorio y en pequeñas corrientes naturales. Es
tubo de pitot permite medir la velocidad de la corriente a diferentes profundidades,
por lo cual se puede conocer la velocidad media en la sección, que multiplicada
por el área de ésta, produce el caudal de la corriente.
2.2.20.4. Aforo con trazadores fluorescentes o colorantes
El empleo de colorantes para medir la velocidad del flujo en corrientes de agua es
uno de los métodos más sencillos y de mayor éxito. Una vez elegida la sección de
aforo, en la que el flujo es prácticamente constante y uniforme se agrega el
colorante en el extremo de aguas arriba y se mide el tiempo de llegada al extremo
de aguas abajo. Conocida la distancia entre los dos extremos de control, se puede
dividir esta por el tiempo de viaje del colorante, obteniéndose así la velocidad
superficial o subsuperficial de la corriente liquida. La velocidad media de flujo se
obtendrá dividiendo la distancia entre los dos extremos o puntos de control, por el
tiempo medio de viaje.
Si se inyecto un colorante de tipo brillante, como la eosina, y si se suspende
horizontalmente una lámina brillante, de longitud conocida, en un sitio aguas
debajo de la inyección, es posible detectar los instantes en que desaparecen y
aparece el colorante en los extremos de dicha lamina. La medida del tiempo que
transcurre entre los instantes de desaparición y aparición del colorante se puede
emplear como representativa del tiempo medio del flujo a lo largo de la lámina. La
velocidad media superficial del flujo se obtendrá dividiendo la longitud de la lámina
por el tiempo medio del flujo.
Otros colorantes, común y eficazmente empleados como trazadores, son la
fluoresceína, el rojo congo, el permanganato de potasio, la rodamina b y el
pontacil rosa B brillante. Este último es especialmente útil en estudios de
dispersión de contaminantes en el agua. En los últimos años se han logrado
considerables mejoras en las técnicas de medición con trazadores fluorescentes,
S
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S
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CHOS
especialmente con la rodamina B, rodamina WT, las sulforrodaminas B y G la
DERE
uramina y el bromuro 82.
2.2.20.5. Aforos con trazadores químicos y radioactivos
Es un método muy adecuado para corrientes turbulentas como las de montañas.
Estos trazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores químicos, esto es,
para determinar el caudal total de una corriente y como medidores de velocidad de
flujo.
En los aforos químicos y radioactivos, se inyecta una tasa constante q t , de la
sustancia química, radioactiva o trazador, de concentración conocida, C ti , a la
corriente cuyo caudal, Q, desee determinarse y cuya concentración de la
sustancia, C a , en la corriente, también se conoce. A una distancia corriente abajo,
suficientemente grande para asegurar que se han mezclado totalmente el trazador
y el agua, se toman muestras de ésta, y se determina la concentración de la
sustancia química o radioactiva, C t . (Figura 2.6).
Figura 2.6. Procedimiento de inyección y muestreo en un aforo con trazador.
(Marbello, R. Hidrometría y Aforo de Corrientes Naturales. Universidad Nacional
de Colombia. Departamento de Ingeniería Civil)
S
O
D
A
V
R
E
S
RE entonces, empleando la siguiente
Sdeterminar,
O
El caudal de la corriente
se H
puede
C
E
R
E
D
ecuación:
En su empleo como medidores de velocidad, los trazadores químicos y
radioactivos se inyectan aguas arriba del primer punto de control de la corriente.
Se calcula el tiempo de paso del prisma de agua que contiene el trazador entre
dicho punto de control y otro situado aguas abajo a una distancia previamente
determinada. El cociente entre esta distancia y el tiempo de paso es la velocidad
media de la corriente.
Los trazadores radioactivos más usuales son: el Tritio (T, isótopo del Hidrógeno,
con tres protones).
2.2.20.6. Aforo con flotadores
Son los más sencillos de realizar, pero también son los más imprecisos; por lo
tanto, su uso queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión.
Con este método se pretende conocer la velocidad media de la sección para ser
multiplicada por el área, y conocer el caudal, según la ecuación de continuidad.
(Ec.2.10.)
Para la ejecución del aforo se procede de la siguiente forma. Se toma un techo de
la corriente de longitud L; se mide el área A, de la sección, y se lanza un cuerpo
que flote, aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho
punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control
corriente abajo. Como se muestra en la figura 2.7.
Figura 2.7. Esquema ilustrativo para aforo con flotador.
S
O
D
A
V
R
E
S
S RE de Ingeniería Civil)
O
H
deR
Colombia.
Departamento
C
E
E
D
(Marbello, R. Hidrometría y Aforo de Corrientes Naturales. Universidad Nacional
La velocidad superficial de la corriente, V s , se toma igual a la velocidad del cuerpo
flotante y se calcula mediante la relación entre el espacio recorrido L, y el tiempo
de viaje t.
Se considera que la velocidad media de la corriente, V m , es del orden de 0.75V s a
0.90 V s , donde el valor mayor se aplica a las corrientes de aguas más profundas y
rápidas (con velocidades mayores de 2 m/s. Habitualmente, se usa la siguiente
ecuación para estimar la velocidad media de la corriente. V m = 0.85V S .
Si se divide el área de la sección transversal del flujo en varías secciones, de área
A i , para las cuales se miden velocidades superficiales, V si , y se calculan
velocidades medias, V mi , el caudal total se podrá determinar como la sumatoria de
los caudales parciales q i , de la siguiente manera:
(Ec. 2.12.)
Se pueden obtener resultados algo más precisos por medio de flotadores
lastrados, de sumersión ajustable, como muestra en la figura 5. Estos flotadores
consisten en un tubo delgado de aluminio, de longitud L fl , cerrado en ambos
extremos y con un lastre en su extremo inferior, para que pueda flotar en una
posición próxima a la vertical, de tal manera que se sumerjan hasta una
profundidad aproximadamente de 25 a 30 cm sobre el fondo, y emerjan unos 5 a
10 cm.
La velocidad observada de flotador sumergido, V f , permite la determinación de la
velocidad media de la corriente, V m , a lo largo de su curso, por la siguiente formula
experimental:
-
-
(Ec.2.13.)
S
ADO
V
R
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S
E
R
CHOS
Donde: y es la profundidad de la corriente de agua.
DERE
2.2.21. Área de una tubería
Anónimo,
s.f.
Área.
“Recuperado
el
10,
julio,
2012”
de
http://en.wikipedia.org/wiki/Area. El área es una cantidad que expresa el grado de
una de dos dimensiones de superficie o forma.
Se determina mediante la siguiente ecuación:
2.2.22. Viscosidad Cinemática
Anónimo,
s.f.
Viscosidad.
“Recuperado
el
26,
octubre,
2011”
de
“http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad”. La viscosidad es la oposición de un fluido
a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido
ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo
el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas
aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento.
La viscosidad cinemática del agua dependerá de su temperatura, en la tabla 2.1
se puede observar detalladamente:
Tabla 2.1. Viscosidad cinemática del agua
Temperatura
(°C)
Viscosidad cinemática
(m2/seg)x
10
1,307
15
1,155
20
1,004
25
0,907
30
0,801
-
S
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V
R
E
S
E
R
CHOS
DERE
2.2.23. Tipos de tuberías
Anónimo,
s.f.
Tipos
de
tubería.
“Recuperado
el
“http://www.tiposde.org/construccion/622-tipos-de-tuberia/”.
3,
julio,
2012”
Las
de
tuberías,
comúnmente llamadas cañerías son cilindros utilizados con el fin de conducir
fluidos como gases, agua, entre otros.
Las tuberías pueden clasificarse según el material del cual están hechos:
•
Plástico
Este tipo de cañerías es utilizado usualmente en los hogares, ya sea para
suministrar o para drenar fluidos, sea esto desechos, agua o como tubería para
ventilación.
•
Cobre
Estas comenzaron a ser utilizadas a principio del siglo XX pero sólo llegaron a ser
altamente masivamente a mitad del siglo. Generalmente son usados para
suministrar agua en hogares y edificios destinados a fines comerciales. También
pueden ser usadas como cañerías subterráneas en veredas y calles bajas, en este
caso los caños siempre estarán protegidos según lo que sea necesario.
Algunas investigaciones recientes han permitido descubrir que este tipo de
tuberías es apto para la supervivencia de ciertos gusanos o la formación de
minerales, por lo cual no son convenientes como tuberías de agua potable si no se
toman los recaudos requeridos.
•
Acero
Este material no resulta económico ya que deviene muy pesado y además permite
que haya acumulación de minerales que terminan taponeando la tubería. Este tipo
de cañerías es generalmente utilizado en edificios destinados a la vivienda o al
comercio, hoteles y en las tuberías utilizadas en los dispositivos contra incendios.
Este tipo de conducto puede ser utilizado durante mucho tiempo ya que son muy
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
resistentes, al tiempo, uso, fuego, entre otros.
2.2.24.
RE
E
D
Rugosidad relativa
Anónimo,
s.f.
Rugosidad.
“Recuperado
el
3,
julio,
2012”
de
“http://www.mitecnologico.com/Main/Rugosidad”. El concepto de rugosidad relativa
se refiere a cuan áspero es la superficie de un cuerpo respecto al tamaño de la
longitud de onda. Cuando las longitudes de onda corta inciden en una superficie
llana, la respuesta de ésta en el radar se comportará como rugosa; la misma
superficie aparecerá como lisa cuando incidan longitudes de onda más largas.
Esto quiere decir que a igual rugosidad de terreno, un cuerpo se comportará como
un cuerpo liso con longitudes de ondas más largas (Chuvieco, 1996)
Se puede determinar a través de la siguiente ecuación:
(Ec.2.15.)
Donde: K es la rugosidad absoluta y D el diámetro de la tubería
Tabla 2.2. Rugosidad absoluta de los materiales.
Material
PVC
Rugosidad Absoluta (mm) 0,0015
Acero Comercial Polietileno
0,03 – 0,09
(http://www.mitecnologico.com/Main/Rugosidad)
0,01
2.2.25. Número de Reynolds
Anónimo, s.f. Número de Reynolds. “Recuperado el 3, julio, 2012” de
"http://es.wikipedia.org/wiki/Número_de_Reynolds”. El número de Reynolds (Re)
es un número adimensional, que relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y
dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en
numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación
adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo
pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número
de Reynolds grande).El número de Reynolds viene dado por la ecuación:
S
DERECHO
S
O
D
A
V
R
E
S
RE
Donde: V es velocidad, D diámetro de la tubería, y
(Ec.2.16.)
viscosidad cinemática del
fluido.
2.2.26. Pérdidas primarias
Anónimo, s.f. Pérdidas primarias y secundarias en tuberías. Teoría. “Recuperado
el 3, julio, 2012” de " http://www.buenastareas.com/ensayos/Pérdidas-Primarias-ySecundarias-En-Tuber%C3%ADas/4518626.html”. Se producen cuando el fluido
se pone en contacto con la superficie de la tubería. Esto provoca que se rocen
unas capas con otras (flujo laminado) o de partículas de fluidos entre sí (flujo
turbulento). Estas pérdidas se realizan solo en tramos de tuberías horizontal y de
diámetro constante. Se pueden calcular utilizando la siguiente ecuación:
Donde: f se refiere al factor de fricción, L longitud de la tubería, V velocidad, D
diámetro de la tubería y g gravedad.
2.2.27. Pérdidas secundarias
Anónimo, s.f. Pérdidas primarias y secundarias en tuberías. Teoría. “Recuperado
el 3, julio, 2012” de " http://www.buenastareas.com/ensayos/Pérdidas-Primarias-y-
Secundarias-En-Tuber%C3%ADas/4518626.html”. Se producen en transiciones de
la tubería (estrechamiento o expansión) y en toda clase de accesorios (válvulas,
codos). En el cálculo de las pérdidas de carga en tuberías son importantes dos
factores:1) Que la tubería sea lisa o rugosa y 2) que el fluido sea laminar o
turbulento. Las perdidas secundarias se pueden calcular, utilizando la siguiente
ecuación:
Donde: K se refiere al factor de cada material a utilizar, V a la velocidad y g a la
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
gravedad.
DERE
2.2.28. Diagrama de Moody
Streeter, V. (2000). Mecánica de fluidos. “Recuperado el 3, julio, 2012” de
"http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Moody”. El diagrama de Moody es la
representación gráfica en escala doblemente logarítmica del factor de fricción en
función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de una tubería.
En el caso de flujo laminar el factor de fricción depende únicamente del número de
Reynolds. Para flujo turbulento, el factor de fricción depende tanto del número de
Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería, por eso en este caso se
representa mediante una familia de curvas, una para cada valor del parámetro k/D,
donde k es el valor de la rugosidad absoluta, es decir la longitud (habitualmente en
milímetros) de la rugosidad directamente medible en la tubería.
S
O
D
A
V
R
E
S
RE de Moody.
SDiagrama
Figura
2.8.
HO
EREC
D
(Streeter, V. (2000). Mecánica de fluidos. 9na Ed.)
2.2.29. Ecuación de Bernoulli
Anónimo, s.f Ecuación de Bernoulli. “Recuperado el 3, julio, 2012” de
"http://www.ecured.cu/index.php/Ecuación_de_Bernoulli”. El principio de Bernoulli,
también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el
comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Fue
expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en
un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un
conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo
de su recorrido. Está dado por la siguiente ecuación:
(Ec.2.19.)
Donde: Z cota piezométrica del punto, P presión, ϒ peso especifico, V velocidad
en el punto 1, g gravedad y Hb altura bruta.
2.2.30. Altura efectiva
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 3, julio,
2012”
de
“http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
#mas”.
Consiste en la altura aprovechable para la producción de energía después de
deducir pérdidas por fricción, por entrada, carga de velocidad no recuperada en la
tubería de aspiración, et. La altura efectiva se puede obtener de la siguiente
manera:
-
-
(Ec.2.20.)
2.3. Definición de términos básicos
•
Altura bruta: diferencia total en elevaciones entre el nivel del agua en la
corriente en el punto de la derivación y el nivel del agua en la corriente, en el punto
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
en donde se regrese el agua después de haber sido utilizada para la generación.
RE
E
D
Eficiencia hidráulica de una planta hidroeléctrica: relación entre la altura
(Linsley y Franzini, 1984)
•
neta y la altura bruta. (Linsley y Franzini, 1984)
•
Eficiencia global o total: es igual a la eficiencia hidráulica, multiplicada por la
eficiencia de las turbinas y los generadores. La eficiencia total de las plantas
hidroeléctricas, operando en condiciones óptimas, usualmente estará entre el 60%
y 70%. (Linsley y Franzini, 1984)
•
Capacidad: es la energía máxima que puede desarrollarse con los
generadores a la altura normal y con un escurrimiento total. (Linsley y Franzini,
1984)
•
Kilowatt: Es la unidad de potencia en la energía eléctrica. Es equivalente a
1.34hp. (Linsley y Franzini, 1984)
•
Energía firme (o primaria): Potencia que una planta puede probablemente
entregar al 100% del tiempo. Para una planta hidroeléctrica simple, corresponde a
la potencia generada cuando el agua aprovechable, incluyendo a la derivada del
almacenamiento, es mínima. (Linsley y Franzini, 1984)
•
Energía excedente (o secundaria): Es toda energía aprovechable en exceso
de la firme. Parte de la energía excedente se aproxima mucho a la energía firme,
por ser aprovechable en un gran porcentaje del tiempo. (Linsley y Franzini, 1984)
•
Características geométricas de un canal: Las características geométricas
son la forma de la sección transversal, sus dimensiones y la pendiente longitudinal
del
fondo
del
canal.
(usuarios.multimania.es/.../29.%20Conocimientos%20
Hidráulicos.doc).
•
Características hidráulicas de un canal: son la profundidad del agua (h, en
m), el perímetro mojado (P, en m), el área mojada (A, en m 2) y el radio hidráulico
(R, en m), todas en función de la forma del canal. También son relevantes
la rugosidad de las paredes del canal, que es función del material en que ha sido
construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la
S
línea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal.
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
(es.wikipedia.org/wiki/Canal_(ingeniería)).
•
E
DELaRtopografía
(de topos, "lugar", y grafos, "descripción") es la
Topografía:
ciencia que estudia el conjunto de principios y procedimientos que tienen por
objeto la representación gráfica de la superficie de la Tierra, con sus formas y
detalles, tanto naturales como artificiales (ver planimetría y altimetría). Esta
representación tiene lugar sobre superficies planas, limitándose a pequeñas
extensiones de terreno, utilizando la denominación de tarado para áreas mayores.
De manera muy simple, puede decirse que para un topógrafo la Tierra es plana,
mientras que para un geodesta no lo es. (es.wikipedia.org/wiki/Topografía).
•
Métodos topográficos: Son diversos sistemas de proceder para en función
de los trabajos de campo y gabinete tener una toma de datos correctos.
(albertinator.wordpress.com/.../apuntes-topografía-en-arquitectura-y-..).
•
Régimen hidrológico: Las variaciones de caudal definen el régimen
hidrológico de un río. Las variaciones temporales se dan durante o después de las
tormentas. En casos extremos se puede producir la crecida cuando el aporte de
agua es mayor que la capacidad del río para evacuarla, desbordándose y
cubriendo las zonas llanas próximas. El agua que circula bajo tierra (caudal basal)
tarda mucho más en alimentar el caudal del río y puede llegar a él días, semanas
o
meses
después
de
la
lluvia
(www.astromia.com/tierraluna/rios.htm).
que
generó
la
escorrentía.
•
Elementos geométricos de la sección
del canal: Los elementos
geométricos son propiedades de una sección del canal que puede ser definida
enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos
elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento: profundidad
del flujo, calado o tirante, ancho superior, área mojada, perímetro mojado, radio
hidráulico,
profundidad
hidráulica
y
factor
de
la
sección.
(es.wikipedia.org/wiki/Canal_(ingeniería)).
•
Velocidad hidráulica: La velocidad es una magnitud física que expresa el
desplazamiento
del
cuerpo
de
agua
por unidad
de
S
O
D
A
V
R
E
S
a
las
nociones
CHOS RE
tiempo.
(es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_(física)).
•
RE
de caliente o D
fríoE
que puede ser medida con un termómetro. Por lo general, un
Temperatura:
magnitud
referida
comunes
cuerpo más "caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura
mayor, y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. (Cuantificación
de la actividad molecular de la materia). (www.buenastareas.com › Ciencia).
2.4. Sistema de variables
La variable de estudio es diseño hidráulico de microcentrales, por lo cual se define
conceptual y operacionalmente de la siguiente forma:
2.4.1. Definición conceptual
Se define diseño hidráulico de microcentrales como el proceso previo de
configuración mental, o “pre-figuración”, en cuanto a propiedades mecánicas de
los fluidos se refiere, para la creación de una Microcentral.
2.4.2. Definición operacional
Operacionalmente, se define como: la línea o los lineamientos que sirven para
diseñar cualquier obra que produzca energía eléctrica, mediante la utilización de la
energía hidráulica, con el fin de satisfacer necesidades en materia energética.
2.4.3. Cuadro de variables
En la tabla 2.3, se describe la operacionalización de la variable objeto de estudio,
con dimensiones e indicadores.
Tabla 2.3. Cuadro de variables
Objetivo General: Diseñar hidráulicamente pequeñas centrales hidroeléctricas, en ríos de bajo
caudal.
Objetivos Específicos
Estudiar
Variables
Indicadores
las
La temperatura.
características
del
ERE
D
Estudiar la topografía de
los suelos existentes en
el cauce de dicho río.
Estudiar la capacidad de
generación de diferentes
tipos de turbinas.
Proponer la capacidad de
generación de la turbina
a utilizar.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
río
Guasare.
Caudal.
Características
hidráulicas
Pequeñas centrales hidroeléctricas en ríos de bajo caudal
hidráulicas,
Dimensiones
Topografía
de
los
suelos existentes
-
Ubicación del embalse.
-
Ubicación de la casa de
máquinas.
Altura del salto de agua.
Capacidad
de
Cantidad de alabes
de
Minicentrales 50 - 1000 KW
las
Pequeñas Centrales 1000 -
generación
Capacidad
generación
de
turbinas a utilizar
5000 KW
Tipo de turbina:
Proponer el diámetro de
la turbina.
Diámetro de la turbina
-
Pelton
-
Francis
-
Kaplan
CAPÍTULO III
MARCO METODOLOGICO
El marco metodológico de la presente investigación, describe el método científico
utilizado, explicando a detalle, los aspectos relativos al tipo de estudio y a su
diseño de investigación; el universo o población estudiada, la muestra utilizada y
los criterios bajo los cuales fue seleccionada; las técnicas e instrumentos que se
emplearon en la recolección de los datos y las características esenciales de los
mismos.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
DERE
3.1. Tipo de Investigación
Por su naturaleza, el trabajo realizado referido al desarrollo de un diseño hidráulico
de pequeñas centrales hidroeléctrica, para ríos de bajo caudal y en función de los
objetivos propuestos se enmarcó dentro de la modalidad de “Proyecto Factible”
que según la definición de la UPEL (1990), consiste en la elaboración de una
propuesta de un modelo operativo viable, o una solución posible a un problema de
tipo práctico para satisfacer necesidades de una institución o grupo social.
Esta investigación es descriptiva ya que se miden o evalúan diversos aspectos o
componentes del fenómeno investigado. Según Hurtado, “La investigación
descriptiva tiene como objeto la descripción precisa del evento estudiado. Este tipo
de investigación se asocia al diagnóstico. En la investigación descriptiva el
propósito es exponer el evento estudiado, haciendo una enumeración detallada de
sus características”. (Hurtado, 2007).
Esta investigación se considera descriptiva , debido a que se centra en recolectar
con precisión, los datos requeridos; tales como: el caudal, la temperatura y la
altura neta del salto de agua; para así proceder a la elaboración de una guía
explicativa, sobre el diseño hidráulico de pequeñas centrales hidroeléctricas en
ríos de bajo caudal, que en la actualidad no son aprovechados para la generación
de energía eléctrica, como solución al problema estudiado en cuanto a la
problemática energética que presenta el país; así mismo la dependencia en
materia eléctrica de algunos estados y/o zonas del país.
3.2. Diseño de investigación
El término “diseño” se refiere al plan o estrategia concebida para responder a las
preguntas de la investigación.
De acuerdo a Tamayo y Tamayo (1994), el diseño de la investigación es la
estructura a seguir en una investigación. Una vez definido el tipo de estudio a
realizar y establecidos los lineamientos para la investigación, se debe concebir la
S
O
D
A
V
R
E
S
RE referido al diseño hidráulico de
En el marco de la investigación
Splanteada,
O
H
C
E
R
E
D
pequeñas centrales hidroeléctricas en ríos de bajo caudal; se definió el diseño de
manera práctica y concreta de responder las preguntas de la investigación.
investigación como no experimental, ya que ésta se realizó sin la manipulación
deliberada de las variables, estableciendo parámetros de caudal, temperatura y
altura de salto tal y como se encontrarían en su estado natural. Tal diseño permitió
orientar desde el punto de vista técnico; así como,
guiar todo el proceso de
investigación, desde el establecimiento de los primeros datos, hasta el análisis e
interpretación de los mismos en función de los objetivos delimitados.
Dentro de este tipo de diseño, se utilizó el diseño transeccional, el cual se
caracteriza por la recolecta de datos en un solo momento; específicamente el
diseño transeccional descriptivo, ya que este tipo presenta un
panorama del
estado de una o más variables en determinado momento. Las variables en estudio
fueron: topografía de los suelos y características hidráulicas.
3.3. Población y muestra
Se entiende por población o universo de estudio a la totalidad de un conjunto de
elementos, seres u objetos que se desea investigar y de la cual se estudiará una
fracción (muestra) que se pretende reúna las mismas características y en igual
proporción.
Arias (2007), considera que “la población o universo se refiere al conjunto para el
cual serán validas las conclusiones que se obtengan, a los elementos o unidades
a los que se refiere la investigación”, y “la muestra es un subconjunto de la
población”, que para efectos de esta investigación por tratarse del diseño de una
microcentral, estos dos aspectos se conjugaron en uno solo, queriendo
establecer con esto una población y muestra iguales.
En base a lo anteriormente planteado, se definió la población y la muestra como
una sola unidad.
Dicho esto, es importante resaltar, que no será necesario por lo consiguiente
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
realizar un muestreo sobre la muestra establecida.
DERE
3.4. Técnicas e Instrumento de Recolección de Datos
En cuanto a las técnicas e instrumentos de recolección de datos, Balestrini (2007)
indica que se debe:
Señalar y precisar, de manera clara y desde la perspectiva
metodológica, cuáles son aquellos métodos instrumentales y técnicas de
recolección de información, considerando las particularidades y límites
de cada uno de éstos, más apropiados, atendiendo a las interrogantes
planteadas en la investigación y a las características del hecho
estudiado, que en su conjunto permitirán obtener y recopilar los datos
que se están buscando (p. 132).
Estos datos, específicamente en la presente investigación, se refieren a lo
necesario para la obtención y/o conocimiento de los indicadores requeridos para la
ejecución de los objetivos establecidos. Colocando un especial énfasis en el
diseño hidráulico de pequeñas centrales hidroeléctricas.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
En cambio, para Arias (2007) las técnicas e instrumentos de recolección de datos
“son las distintas formas o maneras de obtener la información” (p. 57). Con base
DERE
en lo descrito anteriormente, en el transcurso de la investigación se utilizo como
técnica de recolección de datos la revisión documental.
3.4.1. Revisión documental
En la revisión documental, se comenzó con una lectura general de los textos y la
búsqueda y observación de los hechos presentes en los documentos escritos
consultados que fueron de interés para esta investigación.
Con respecto a los instrumentos de recolección de datos, Arias (2007) señala que
“es cualquier recurso, dispositivo o formato (papel o digital), que se utiliza para
obtener, registrar o almacenar información” (p. 69).
Los instrumentos de recolección de datos, en la revisión de documentos
bibliográficos; fueron, libros, investigación en la Web, tesis de grado, entre otros.
La utilización de esta técnica, condujo por un lado a proporcionar a los investigadores
los conocimientos tanto técnicos como operativos para desarrollar el diseño hidráulico
de microcentrales en ríos de bajo caudal y, por otro lado, para nutrir sus conocimientos
sobre dicho tema, e incluso temas relacionados a este.
En este marco de ideas, se tiene que los instrumentos de recolección de datos o
documentos electrónicos utilizados en esta observación documental, fueron:
•
Sisa Amaguaya y Villarroel Herrera, realizado en el 2009,
“Diseño e
instalación de una pico central hidroeléctrica en la hacienda La Isabela”, Riobamba
– Ecuador.
•
Castro, realizado en el 2006, “Minicentrales hidroeléctricas”, Madrid – España.
•
García Faure, realizado en el 2005, “Macro optimización del proyecto y la
explotación
de
las
pequeñas
centrales
hidroeléctricas
de
las
regiones
montañosas”, Santiago de Cuba – Cuba.
En cuanto a material bibliográfico:
•
Linsley y Franzini (1984) Ingeniería de los Recursos Hidráulicos. Editorial
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
C.E.C.S.A. (págs. 371-406; 527-543)
DERE
3.4.2. Descripción de los instrumentos de recolección de información
Para el análisis profundo de las técnicas documentales, se utilizó la técnica de
observación documental, presentación resumida, resumen analítico y análisis crítico. A
partir de la observación documental, como punto de partida en el análisis de las fuentes
documentales, mediante una lectura general de los textos, y profundizando la misma
en los temas de interés para esta investigación.
Algunas
técnicas
operacionales
utilizadas
fueron:
el
subrayado,
fichaje,
bibliográficas, de citas y de notas de referencias bibliográficas, presentación de
formularios, utilización de mapas, entre otras.
3.4.3. Instrumentos
Un instrumento de recolección de datos es, en principio, cualquier recurso del cual
se vale el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de ellos
información. De este modo, el instrumento sintetiza en sí toda la labor previa de
investigación: resume los aportes del marco teórico al seleccionar datos que
corresponden a los indicadores y, por lo tanto, a las variables o conceptos
utilizados; pero también expresa todo lo que tiene de específicamente empírico
nuestro objeto de estudio pues sintetiza, a través de las técnicas de recolección
que emplea, el diseño concreto escogido para el trabajo. (Sabino, 2000)
Es mediante una adecuada construcción de los instrumentos de recolección que la
investigación alcanza entonces la necesaria correspondencia entre teoría y
hechos. Es más, se puede decir que gracias a ellos ambos términos efectivamente
se vinculan.
El instrumento de recolección de datos utilizado principalmente fue trabajos de
investigación ya elaborados, relacionados a la investigación realizada. Sin
embargo también se extrajeron datos importantes, como población del Instituto
Nacional de Estadísticas Venezolano (INE), y datos asociados a gastos y
temperatura del Ministerio del Ambiente del Estado Zulia; así mismo se utilizaron
fuentes bibliográficas (libros) y fuentes electrónicas (internet).
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
DERE
3.5. Procedimiento metodológico
3.5.1. Estudio detallado de las características hidráulicas del rio Guasare.
3.5.1.1. Ubicación geográfica del rio Guasare.
•
Mediante la utilización de la figura 3.1 se determinó la ubicación exacta de la
cuenca del río en estudio
Figura 3.1. Mapa hidrográfico del estado Zulia.
(http://www.oas.org/dsd/publications/unit/oea28s/begin.htm#Contents)
3.5.1.2. Obtención del caudal presentado por el río Guasare.
•
Mediante la información suministrada por el Ministerio del Ambiente del estado
Zulia, se obtuvieron los registros de gastos diarios, de cada mes, de 48 (cuarenta
y ocho) años distintos (1964-2012), de los cuales se selecciono el año donde el río
presento mayor estiaje.
En la tabla 3.1 se muestran los caudales medios diarios del año 1977, registrados
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
en la estación el Carbón, año seleccionado para el estudio, debido a que registró
DERE
el mayor estiaje en los últimos 48 años.
Tabla 3.1 Registro de caudales medios diarios, año 1977.
3
CAUDALES MEDIOS DIARIOS m /seg
RIO GUASARE – EL CARBÓN
SERIAL: 0200
Latitud: 11º-04`-20”
Longitud: 72º-15`-36”
Altitud: 50 mts.
TIPO DE REGISTRO DE NIVELES :
FLUVIOGRAFO
CURVAS DE GASTOS (Nº.: VÁLIDA DESDE)
(1.: 1 - 1 - 74)
PERIODO: 1964 – 2012
AÑO: 1977
JUL
AGO
SEP
OCT
NOV
DIC
Promed
DIA
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
1
7.35
4.59
2.41
4.59
5.01
20.37 38.74 23.63 27.11 46.35 56.15 20.37
21.39
2
7.35
4.59
2.41
4.18
4.18
27.24 32.70 26.22 18.06 32.70 82.85 18.82
21.78
3
6.85
4.59
2.41
3.42
3.42
41.30 28.01 19.59 15.17 26.22 83.73 17.32
21.00
4
6.85
4.18
2.41
3.07
3.07
39.79 24.48 15.88 13.15 21.98 97.77 16.59
20.77
5
6.37
4.18
2.73
2.73
3.07
28.92 25.34 15.88 12.51 18.82 70.48 15.88
17.24
6
6.37
4.18
2.73
2.41 24.05
36.83 21.98 21.98 11.26 19.59 49.78 14.49
17.97
7
6.37
4.18
2.73
2.11 28.92
50.74 18.82 22.80 10.66 18.82 40.85 14.49
18.46
Anual
Tabla 3.1 Continuación.
3
CAUDALES MEDIOS DIARIOS m /seg
RIO GUASARE – EL CARBÓN
SERIAL: 0200
Latitud: 11º-04`-20”
Longitud: 72º-15`-36”
Altitud: 50 mts.
TIPO DE REGISTRO DE NIVELES :
FLUVIOGRAFO
CURVAS DE GASTOS (Nº.: VÁLIDA DESDE)
(1.: 1 - 1 - 74)
PERIODO: 1964 – 2012
S
O
D
A
V
R
E
S
FEB MAR ABRHMAY
SJUNREJUL AGO SEP OCT NOV
O
C
E
R
E
D
AÑO: 1977
DIA
ENE
DIC
Promed
Anual
8
6.37 3.80 2.73 1.82 15.17 40.85 18.06 21.17 9.50 27.11 41.93 13.81 16.86
9
5.90 3.80 2.73 1.82 12.51 28.92 39.67 18.82 8.94 26.87 67.50 13.15 19.22
10
5.90 4.18 2.73 2.11 11.26 21.98 54.63 18.82 8.39 40.03 52.14 12.51 19.56
11
5.45 4.18 2.41 3.07 36.19 18.82 81.92 21.17 7.86 31.73 141.3 11.88 30.50
12
5.45 4.18 2.11 2.73 32.53 16.59 45.22 16.59 7.86 26.22 92.41 11.26 21.93
13
5.90 3.80 2.11 2.41 17.32 335.09 31.73 14.49 7.86 25.34 149.7 11.26 50.58
14
5.90 3.80 2.11 2.41 18.85 162.57 26.22 13.15 45.82 26.22 108.8 10.66 35.54
15
6.37 3.80 2.11 2.41 28.01 84.55 22.80 16.59 41.06 30.78 135.6 10.07 32.01
16
6.85 3.42 2.11 2.41 54.36 41.93 20.37 17.32 22.8 28.01 133.6 10.1
28.60
17
6.37 3.42 2.11 2.11 48.30 30.78 18.06 48.55 14.5 25.34 74.47 9.50
23.63
18
5.90 3.07 2.11 1.82 41.93 28.01 16.59 35.66 8.94 156.8 54.54 9.50
30.41
19
6.85 3.07 2.11 3.07 33.67 24.48 15.17 31.73 13.2 160 43.01 8.94
28.74
20
10.1 3.07 2.11 4.18 34.66 23.63 14.49 45.22 13.8 82.61 35.66 8.39
23.16
Tabla 3.1. Continuación.
3
CAUDALES MEDIOS DIARIOS m /seg
RIO GUASARE – EL CARBÓN
SERIAL: 0200
Latitud: 11º-04`-20”
Longitud: 72º-15`-36”
Altitud: 50 mts.
TIPO DE REGISTRO DE NIVELES :
FLUVIOGRAFO
CURVAS DE GASTOS (Nº.: VÁLIDA DESDE)
(1.: 1 - 1 - 74)
PERIODO: 1964 – 2012
AÑO: 1977
FEB
MAR
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEP
OCT
ENE
21
8.94 2.73 2.11 3.80 30.78 40.85 21.17 40.85 11.9 49.78 30.78 8.39
21.01
22
10.1 2.73 1.82 3.42 23.63 32.70 18.82 43.01 28.3 30.78 87.00 7.86
24.18
23
8.39 2.73 1.82 3.80 34.92 26.22 15.17 33.67 35.7 24.48 220.4 7.86
34.59
24
7.35 2.73 1.82 3.80 32.70 43.33 13.81 24.48 27.1 20.37 115.5 7.35
25.03
25
6.85 2.41 1.82 3.42 55.42 64.79 12.51 21.17 17.3 18.82 64.24 7.35
23.01
26
5.90 2.41 1.82 2.73 43.01 38.74 11.26 18.06 16.6 17.32 38.74 7.35
16.99
27
5.45 2.41 1.56 5.90 47.52 34.66 10.66 18.06 22.8 15.88 30.78 7.35
16.92
28
5.01 2.41 1.82 12.51 49.31 34.66 14.49 15.88 26.5 42.31 27.11 6.85
19.91
29
5.01
1.82 7.35 37.70 31.00 25.34 14.49 175 41.14 23.63 6.85
33.60
30
4.59
2.73 5.45 35.66 48.63 17.32 13.15 124 42.34 22.80 6.37
29.33
31
4.59
4.18
5.90
17.19
203 98.6 70.74 107 874.2 1499 775.9 723.3 803 1218 2273 338
761.1
(m3/s) 6.55 3.52 2.28 3.57 28.20 49.97 25.03 23.33 26.8 39.27 75.77 10.9
24.60
DERE
27.11
20.37 15.17
43.01
NOV
DIC
Promed
DIA
Anual
Q.Md
3.5.1.3. Determinación de la temperatura del río.
•
Según los datos suministrados por el Ministerio del Ambiente del estado Zulia,
registrados en la estación el carbón, las temperaturas oscilan entre los 20°C y
30°C.
En la figura 3.2 se procedió a graficar los datos suministrados con el fin de obtener
una temperatura promedio.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
DERE
Figura 3.2. Gráfico promedio de variación de temperatura durante un año.
3.5.2. Estudio de la topografía del suelo existente en el cauce del río
Guasare.
3.5.2.1. Ubicación del plano altimétrico del rio en estudio.
•
Del instituto geográfico de Venezuela, se obtuvo el plano altimétrico de la
cuenca del río Guasare (figura 3.3), con el fin de conocer la morfología de su
cauce y definir la curva de nivel donde se colocará el embalse.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
DERE
Figura 3.3. Plano altimétrico de la cuenca del río Guasare
3.5.3. Estudio de la capacidad de generación de los diferentes tipos de
turbinas existentes en el mercado.
3.5.3.1. Estudio detallado de cada una de las características físicas y
funcionales de los 3 tipos de turbinas más importantes existentes en el
mercado.
• Se recopilo la información necesaria sobre cada uno de los tipos de turbinas, y
posteriormente se ordeno dicha información en un cuadro comparativo, con el fin
de tener fácil acceso a la misma. (Tabla 3.2).
Tabla 3.2. Cuadro comparativo de los tipos de turbinas.
Nombre
Kaplan
Pelton
Francis
Tipo
Turbinas axiales
Turbinas de impulso
Turbinas centrifugas
Formada por una especie
Apariencia
Luce como la hélice de
un barco o submarino.
de cucharas que,
sometidas al impacto del
agua, giran produciendo el
giro continuo del eje.
Su apariencia es
semejante a la de un
molinillo de viento en forma
de caracol.
S
O
D
A
V
R
E
S
E llamadas turbinas de acción ya que se
SSonRtambién
porque sus aspas
girar
O
H
C
E
R
E
D
mueven por el impacto del agua sobre sus aspas.
por la presión del agua
Son también llamadas
Impacto del
agua en sus
álabes
turbinas de reacción
que circula a su
alrededor.
Cantidad de
agua con la
Utilizada para poca cantidad de agua, pero por el
que pueden
contrario la Kaplan necesita mucha agua.
trabajar
Puede utilizarse para
cantidad variable de agua y
salto de agua.
Es la más utilizada en
Con su eje en posición
Aplicación
horizontal se utiliza en
las mareomotrices.
Centrales hidroeléctricas
de no mucha potencia.
centrales hidroeléctricas,
debido a que puede
aplicarse a todo tipo de
cantidad de agua.
Tabla 3.2. Continuación.
Nombre
Kaplan
Pelton
Francis
• Menor peso.
•
•
Mejor rendimiento a
• Más robustas.
cargas parciales.
•
Mejor
•
•
Menos
obra
de
fábrica
que
las
hélices
de
fijas.
•
Reparaciones
palas
•
• Aprovechan
más
Regulación de presión
Mejor
rendimiento
cargas parciales.
desnivel,
más
•
mayor
debido
al
tubo de aspiración.
• Dimensiones
en
planta de la central
y velocidad más fácil.
•
rendimiento
máximo.
a
más reducida.
• Mayor economía en la
turbina.
más
S
O
D
A
V
R
E
S
• Menor
RE
CHOS sencilla.
Alternador
Infraestructura
DERE
barato.
de
sencillas.
variables.
Ventajas
peligro
erosión de los álabes.
rendimiento
con alturas de salto
Menos
• Mayor
peligro
de
cavitación.
3.5.4. Proposición de la capacidad de generación de la turbina a utilizar.
3.5.4.1. Cantidad de viviendas existentes en el sector Arimpia, de
la
parroquia El Rosario, Municipio Rosario de Perijá.
• Se utilizaron los datos suministrados por el censo realizado en el año 2011 por
el Instituto Nacional de Estadísticas (INE).
3.5.4.2. Requerimiento energético total.
•
Se realizó la estimación del requerimiento energético para una vivienda tipo.
•
Luego se procedió a realizar la estimación del requerimiento energético de
toda la población.
3.5.4.3. Determinación del volumen medio de agua, almacenado por el
embalse.
•
Multiplicando los valores de caudales mensuales promedios (Tabla 3.1) por la
duración de cada mes respectivamente, en segundos, se obtuvo valores de
volúmenes medios de agua mensuales.
Con estos valores de volúmenes medios mensuales, se realizo una tabla de
valores acumulados
•
Con los valores obtenidos en dicha tabla, se realizó un gráfico para determinar
el valor del volumen medio de agua almacenado por el embalse.
3.5.4.4. Determinación del caudal de diseño.
•
Para determinar el caudal de diseño se dividió el volumen medio de agua del
embalse, entre los segundos equivalentes a un mes.
S
O
D
A
V
R
E
S
• Debido a que el diámetro
de R
la E
tubería de presión es una variante
S
O
H
C
E
R
E
D
determinada, en base al criterio del proyectista, dependiente también del caudal
3.5.4.5. Determinación del diámetro de la tubería de presión.
de diseño con el que se cuente, se seleccionó el diámetro que se creyó necesario
para este caso.
•
De acuerdo a las características de cada tipo de tubería existentes en el
mercado, planteadas en el punto 2.2.23, se seleccionó el material de la tubería a
utilizar en este proyecto.
3.5.4.6. Cálculo de la velocidad de circulación del agua por la tubería.
•
Luego de haber realizado la selección del material de la tubería de presión, se
procedió al cálculo de la velocidad de circulación del agua por la tubería mediante
la ecuación 2.10.
Donde:
V= Velocidad de circulación del agua (m/s)
Q=Caudal de diseño.
El área de la tubería de sección transversal se calcula mediante la ecuación 2.14.
Donde:
Di= Diámetro interior de la tubería (m).
3.5.4.7. Determinación de las pérdidas primarias (Hrp).
•
Para determinar las pérdidas primarias se requiere antes, conocer el factor de
fricción, producido a lo largo de las paredes de la tubería; dicho factor se obtiene
entrando al diagrama de Moody (Figura 2.8).
S
ADO
V
R
E
S
E
R
relativa (S) y el númeroE
HOS(Re).
DER deCReynolds
Antes de utilizar este diagrama, es necesario determinar los valores de rugosidad
A través de la ecuación 2.15 se determinó el valor de rugosidad relativa (S):
Para calcular la rugosidad relativa (S), se requiere conocer el valor de la rugosidad
absoluta (K) correspondiente a al material de tubería seleccionado (Tabla 2.2)
El número de Reynolds se calculó, a partir de la ecuación 2.16:
Para calcular
el número de Reynolds es necesario conocer la viscosidad
cinemática del agua a una temperatura como la planteada en el punto 3.5.1.3
(Tabla 2.1).
Con los valores obtenidos de rugosidad relativa (S) y número de Reynolds (Re), se
entro al diagrama de Moody y se determino el factor de fricción.
•
Cálculo de las pérdidas primarias (Hrp).
El primer paso a realizar, antes del cálculo de las perdidas primarias, fue la
medición en plano de la tubería de presión.
Al tener el valor de la longitud de la tubería, se procedió al cálculo de las pérdidas
primarias, utilizando la ecuación 2.17 (ecuación general de Darcy-Weisbach):
Donde:
Hrp=Pérdidas primarias (m)
L=Longitud de la tubería de presión
g=9,81m/seg2, Aceleración de la gravedad
3.5.4.8. Determinación de las pérdidas secundarias (Hrs).
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
La determinación de las pérdidas secundarias, se hace mediante la aplicación de
DERE
la ecuación 2.18:
Donde:
Hrs=Pérdidas secundarias (m)
K=Factor asociado a cada accesorio a utilizar
En este proyecto, las pérdidas secundarias se producen en:
1. Conexión de la tubería de presión con la cámara de carga K1.
Donde K1=0,04
2. En válvulas K2.
Donde K2=0,1
3. Acoplamientos de la tubería de presión K3.
Donde K3=0,04
4. Reducción de tubería K4.
Donde K4=0,275
5. En la rejilla K5.
Donde K5=1,8
Al obtener las pérdidas ocasionadas en cada accesorio de la tubería, se procede a
sumarlas, para así tener como resultado el valor total de las perdidas secundarias
que se tienen en el sistema.
3.5.4.9. Determinación de la altura bruta a utilizar en el diseño (Hb).
•
Tomando como referencia la curva de nivel a utilizar para la colocación del
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
embalse, establecida en el punto 3.5.2.1, se determinó la cota donde se instalará
DERE
la casa de máquinas.
•
Para determinar la altura bruta, a utilizar en el diseño, se aplicó la ecuación
2.19 (ecuación de bernoulli), entre el punto donde se ubicará el embalse y el punto
donde se ubicará la casa de máquinas:
Donde:
z1=Cota del embalse
P1=0, Presión en el embalse
V1=0, Velocidad en el embalse
z2=Cota de la casa de máquinas
P2=0, Presión en la tubería
V2=Velocidad en la tubería
g=9,81m/seg2, Aceleración de la gravedad
Hb=Altura bruta (m)
3.5.4.10. Determinación de la altura neta o efectiva (Hn).
•
La altura neta o efectiva fue calculada por medio de la ecuación 2.20:
Donde:
Hb=Altura bruta
Hrp=Pérdidas primarias
Hrs=Pérdidas secundarias
3.5.4.11. Determinación de la potencia hidráulica a generar.
Conociendo la altura neta, se pudo determinar la potencia hidráulica, mediante la
ecuación 2.1:
Donde:
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
E
ERespecifico
del agua
D, Peso
Q=9Caudal de diseño
Hn=Altura neta o efectiva
e=60%, Eficiencia de la turbina
3.5.5. Proposición el diámetro de la turbina.
Luego de realizar todos los cálculos referentes a la tubería de presión, se
determinó el diámetro de la turbina a implantar.
CAPITULO IV
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
4.1. Estudio detallado de las características hidráulicas del rio Guasare.
4.1.1. Ubicación geográfica del rio Guasare.
•
La figura 3.1 muestra el nacimiento del rio Guasare, en la parte alta de la
cordillera montañosa de la Sierra de Perijá, en el sector Cerro Pintado, en el límite
con Colombia. Nace a una altura de 3000 metros sobre el nivel del mar (msnm),
S
O
D
A
V
R
E
S
RE municipio Rosario de Perijá.
del sector Arimpia, de la parroquia
el
SRosario,
O
H
C
E
R
E
D
posee una longitud de cauce de 191km, y se encuentra a unos 201km al noroeste
4.1.2. Obtención del caudal presentado por el rio Guasare.
•
Mediante la tabla 3.1 se obtuvo el caudal medio mensual, para cada mes del
año 1977, establecido como el año con mayor estiaje, de los últimos 48 años.
En la tabla 4.1 se muestran los caudales medios mensuales del año ya
establecido, registrados en la estación El Carbón.
Tabla 4.1. Caudales medios mensuales, año 1977.
Meses
Qmd. (m3/seg)
Ene
6.55
Feb
3.52
Mar
2.28
Abr
3.57
May
28.20
Jun
49.97
Jul
25.03
Ago
23.83
Tabla 4.1 Continuación.
Sep
Qmd.
(m3/seg)
26.8
Oct
39.27
Nov
75.77
Dic
10.9
Prom. Anual
24.60
Meses
4.1.3. Determinación de la temperatura del río.
S
O
D
A
V
R
E
S
E
Sse R
O
H
en el año 1977, a dicha
temperatura
le confirió un valor de 25°C.
C
E
R
E
D
De la figura 3.2 se obtuvo, la temperatura promedio que presentó el río Guasare
4.2. Estudio de la topografía del suelo existente en el cauce del río Guasare.
4.2.1. Ubicación del plano altimétrico del rio en estudio.
•
En base a la figura 3.3, se determinó que la curva a nivel a utilizar, para la
colocación del embalse será la de 800m (Figura 4.1).
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
DERE
Figura 4.1. Curva de nivel donde se ubicará el embalse.
4.3. Estudio de la capacidad de generación de los diferentes tipos de
turbinas existentes en el mercado.
4.3.1. Estudio detallado de cada una de las características físicas y
funcionales de los 3 tipos de turbinas más importantes existentes en el
mercado.
•
De acuerdo a la información suministrada por la tabla 3.2, se determino que
el tipo de turbina a utilizar sería la turbina Francis, por ser este tipo el más utilizado
en microcentrales hidroeléctricas, debido a las ventajas que presenta en
comparación con los otros tipos.
Las principales características por las cuales se selecciono este tipo de turbina
fueron: por su mayor rendimiento en cuanto a aprovechamiento de caudal se trata
y por su reducido costo.
4.4. Proposición de la capacidad de generación de la turbina a utilizar.
4.4.1. Cantidad de viviendas existentes en el sector Arimpia, de la parroquia
El Rosario, Municipio Rosario de Perijá.
• Gracias al censo realizado en el año 2011 por el Instituto Nacional de
Estadísticas (INE), se obtuvo la cantidad de viviendas existentes del sector
Arimpia, de la parroquia El Rosario, la cual cuenta con 158 viviendas, habitadas
aproximadamente por 4 o 5 personas.
4.4.2. Requerimiento energético total.
S
O
D
A
V
R
E
S
S RE mensual de una vivienda tipo es
O
H
C
En la tabla 4.2 se
muestra
que
el requerimiento
E
R
E
D
• Estimación del requerimiento energético para una vivienda tipo.
de 1.391.520 W/mes.
Tabla 4.2. Requerimiento energético para una vivienda tipo.
Potencia
Artefacto
Cantidad
Producida
(W/h)
Alumbrado
Tiempo de
Tiempo de uso
uso diario
mensual (h)
Consumo
mensual
(W/mes)
10
15
5h
150
22.500
Televisor
2
120
6h
180
43.200
Nevera
1
290
24h
720
208.800
2
2300
8h
240
1.104.000
Lavadora
1
400
1h
30
12000
Licuadora
1
400
0,08h
2.4
960
(bombillos)
Aire
acondicionado
Tabla 4.2. Continuación.
Potencia
Artefacto
Cantidad
Producida
Tiempo de
Tiempo de uso
uso diario
mensual (h)
(W/h)
•
Consumo
mensual
(W/mes)
Radio
1
75
2h
60
60
Total
-
-
-
-
1.391.520
Estimación del requerimiento energético de toda la población.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
Al conocer el número de viviendas que conforman la localidad y el requerimiento
energético promedio de cada una de ellas, se pudo determinar el requerimiento
DERE
energético total mensual, semanal, diario y por hora de toda la población. (Tabla
4.3).
Tabla 4.3. Requerimiento energético total
Número de viviendas
Requerimiento Mensual por
vivienda (KW)
158
1.391,52
Requerimiento total
219.860,16
(mensual)(KW)
Requerimiento total
54.965,04
(semanal)(KW)
Requerimiento total
7.852.15
(diario)(KW)
Requerimiento total
327,17
(por hora)(KW)
4.4.3. Determinación del volumen medio de agua, almacenado por el
embalse.
•
Con los valores obtenidos en la tabla 4.4 se realizó un gráfico para determinar
el valor del volumen medio de agua almacenado por el embalse.
Tabla 4.4. Volúmenes medios mensuales acumulados
MES
VOLagua Acumulado (m3)
ENE
17534275.2
FEB
26056771.2
MAR
32168707.2
ABR
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
41418691.2
RE
DEJUN
116953027.2
JUL
313503523.2
AGO
375992323.2
SEP
445406947.2
OCT
550594627.2
NOV
746994787.2
DIC
776236003.2
MAY
S
246464035.2
La figura 4.2 arrojo 2 valores de volumen medio (40.000.000m3 y 65.000.000m3),
por lo tanto, el valor medio de agua definitivo que el embalse podrá almacenar
será de 25.000.000 metros cúbicos (m3), por ser este la diferencia entre los 2
valores mencionados.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
Figura 4.2. Volumen medio de agua en el embalse.
DERE
4.4.4. Determinación del caudal de diseño.
•
El caudal medio mensual que podrá ofrecer el embalse para la generación de
energía eléctrica será de 9,65m3/seg.
4.4.5. Determinación del diámetro de la tubería de presión.
•
Para este diseño se escogió un diámetro de 56 pulgadas, debido al caudal de
diseño obtenido.
•
Se seleccionó una tubería de acero comercial, cuyas características se
presentan en la tabla 4.5.
Tabla 4.5. Características de las tuberías de acero comercial.
Diámetro nominal Diámetro interior
In
mm
48
1199,94
Peso
Área
Kg/m
cm2
284,25 363,11
Tabla 4.5. Continuación
Diámetro nominal
Diámetro interior
Peso
Área
In
Mm
Kg/m
cm2
56
1402,94
331,96
422,88
60
1504,94
355,94
453,42
(http://www.canacero.org.mx/archivos/Catalogos/000CANACEROinteractivo.pdf)
4.4.6. Calculo de la velocidad de circulación del agua por la tubería.
•
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
La velocidad calculada, en base a los datos obtenidos con anterioridad, fue de
6,27 m/seg.
DERE
4.4.7. Determinación de las pérdidas primarias (Hrp).
-
•
El valor de rugosidad relativa obtenido, es de S =
•
Al calcular el número de Reynolds se obtuvo un valor de Re =
•
Entrando al diagrama de Moody (Figura 2.8), con los valores de rugosidad
relativa y número de Reynolds calculados, se obtuvo un factor de fricción de 0,01.
•
Luego de realizar las mediciones en plano, para conocer la longitud de la
tubería de presión, se estableció un valor de longitud para la misma de 5000
metros (m).
•
Al calcular las pérdidas primarias (Hrp), ocasionas en el sistema, se obtuvo un
valor de 71,56m.
4.4.8. Determinación de las pérdidas secundarias (Hrs).
Al proceder al cálculo de las pérdidas secundarias, ocasionadas a lo largo del
sistema, se obtuvieron varios valores, uno por cada accesorio aplicado a la
tubería, dichos valores fueron:
1. Perdida por conexión de la tubería de presión con la cámara de carga K1.
Hrs1= 0,08m
2. Perdida por válvulas K2.
Hrs2=0,20m
3. Perdida por acoplamientos de la tubería de presión K3.
Hrs3=0,08m
4. Perdida por reducción de la tubería K4.
Hrs4=0,55m
5.
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
ERE
D
Perdida en la rejilla K5.
Hrs5= 3,61m
Al obtener las pérdidas ocasionadas en cada accesorio de la tubería, se procedió
a la sumatoria de las mismas, para así tener como resultado el valor total de las
perdidas secundarias que se tienen en el sistema Hrs=4,52m.
4.4.9. Determinación de la altura bruta a utilizar en el diseño (Hb).
•
Tomando como referencia la cota de 800m donde se colocará el embalse, se
determino que la curva de nivel más conveniente para la instalación de la casa de
máquinas sería la de 600m (Figura 4.3).
•
S
O
D
A
V
R
E
S
Figura 4.3. Curva de nivel
donde
S RseEubicará la casa de máquinas.
O
H
C
E
R
E
D
Como resultado de la aplicación de la ecuación 2.19 (ecuación de bernoulli),
se obtuvo como altura bruta el valor de Hb= 197,99m
4.4.10. Determinación de la altura neta o efectiva (Hn).
•
El valor de altura neta o efectiva obtenido es de Hn=101,93m
4.4.11. Determinación de la potencia hidráulica a generar.
•
Conociendo el valor de altura neta, anteriormente calculado, se pudo
determinar la potencia hidráulica, teniendo como resultado una Ph=
4.5.
•
Proposición el diámetro de la turbina.
Al realizar todos los cálculos referentes a la tubería de presión, se determinó,
que el diámetro de la turbina a implantar será igual al diámetro calculado de la
tubería de presión, es decir, el diámetro de la turbina será de 56 pulgadas.
CONCLUSIONES
•
Mediante la utilización del mapa hidrográfico del estado Zulia, se logró
determinar con exactitud la ubicación de la cuenca de río Guasare, y así
establecer, a cuál de las poblaciones cercanas al mismo, se pretende ayudar a
cubrir sus necesidades energéticas. En este caso la población elegida fue la del
sector Arimpia, de la parroquia el Rosario, Municipio Rosario de Perijá.
•
A través de la información suministrada por el Ministerio del Ambiente del
estado Zulia, se determinó que los cálculos se realizarían en base a los caudales
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
medios mensuales del año 1977, por ser este el año con mayor estiaje en los
DERE
últimos 48 años.
•
La gráfica de temperatura vs los meses del año (1977), permitió fijar el valor
de temperatura promedio, presentado por el río Guasare a lo largo del año; con un
valor obtenido de 25°C.
•
El plano altimétrico de la cuenca del río Guasare, suministrado por el Instituto
Geográfico de Venezuela, permitió determinar que la cota o curva de nivel 800m
será la adecuada para la colocación del embalse de agua.
•
El realizar un cuadro comparativo con las características más resaltantes de
cada tipo de turbina, permitió deducir que la turbina más conveniente a utilizar en
el sistema será la de tipo Francis.
•
Se obtuvo como resultado que el embalse podrá ofrecer 25.000.000 metros
cúbicos de agua mensuales, destinados a la generación de energía eléctrica.
•
Se determinó que el caudal medio mensual con el que contará el sistema será
de 9,65m3/seg.
•
Se dedujo que el diámetro que deberá poseer la tubería de presión es de 56
pulgadas.
•
Se determinó que la curva de nivel o cota a utilizar para la colocación de la
casa de máquinas será la de 600m.
•
La capacidad de generación de energía eléctrica del sistema como tal será de
5969,90 KW, siendo esto el 2,72% del requerimiento energético total del sector
Arimpia, de la parroquia El Rosario, del Municipio Rosario de Perijá.
•
El diámetro con el que deberá contar la turbina será de 56 pulgadas, igual al
diámetro de la tubería de presión calculada.
S
DERE
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
RECOMENDACIONES
•
Mantener constante el nivel del agua en la bocatoma con el fin de evitar el
paro inesperado del sistema.
•
Ocupar toda la energía generada, es decir, trabajar siempre a plena carga.
•
Revisar el estado de la carcasa de la turbina trimestralmente, con el propósito
de evitar que se corroa.
•
Seguir las respectivas acciones de mantenimiento del sistema turbo –
•
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
generador.
DERE
Realizar los estudios respectivos, para el traslado de la energía eléctrica
generada en el sistema, a la población del sector Arimpia, de la parroquia El
Rosario, Municipio Rosario de Perijá.
1
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
•
Anónimo, s.f. Central hidroeléctrica. “Recuperado el 12, noviembre, 2011” de
“http://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctrica”.
•
Anónimo, s.f. Qué significa demanda eléctrica. “Recuperado el 3, julio, 2012”
de “http://www.txu.com/es/property-management/customer-care/understa ndingdema nd.aspx”.
•
Anónimo, s.f. Introducción a las instalaciones eléctricas. “Recuperado el 12,
noviembre, 2011” de “http://www.mitecnologico.com/Main/InstalacionElectrica”.
•
S
ADO
V
R
E
S
E
R
CHOS
Anónimo, s.f. Microcentrales Hidroeléctricas en Venezuela. “Recuperado el 9,
DERE
noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos13/micro/micro.shtml
#mas”.
•
Anónimo,
s.f.
Río.
“Recuperado
el
29,
octubre,
2011”
de
2011”
de
“http://definicion.de/riachuelo/”.
•
Anónimo,
s.f.
Caudal.
“Recuperado
el
23,
octubre,
“http://es.wikipedia.org/wiki/Caudal_(fluido)”.
•
Anónimo, s.f. Tipos de tubería. “Recuperado el 3, julio, 2012” de
“http://www.tiposde.org/construccion/622-tipos-de-tuberia/”.
•
Anónimo, s.f. Número de Reynolds. “Recuperado el 3, julio, 2012” de
"http://es.wikipedia.org/wiki/Número_de_Reynolds”.
•
Anónimo, s.f. Pérdidas primarias y secundarias en tuberías. Teoría.
“Recuperado
el
3,
julio,
2012”
de
"
http://www.buenastareas.com/ensayos/Pérdidas-Primarias-y-Secundarias-EnTuber%C3%ADas/4518626.html”.
•
Anónimo, s.f. Ecuación de Bernoulli. “Recuperado el 3, julio, 2012” de
"http://www.ecured.cu/index.php/Ecuación_de_Bernoulli”.
•
Arias, F. (2007). El proyecto de investigación. (2da Ed.).
2
•
Balestrini, M. (2007). Como se elabora el proyecto de investigación. (7ma Ed.).
•
Castro. (2006). “Minicentrales hidroeléctricas”, Madrid – España.
•
Franzini, J (1999). Mecánica de fluidos: con aplicaciones en ingeniería. (9na
Ed.).
•
García Faure. (2005). “Macro optimización del proyecto y la explotación de las
pequeñas centrales hidroeléctricas de las regiones montañosas”, Santiago de
Cuba – Cuba.
•
González,
F.
(1999).
Microcentrales
hidroeléctricas
en
S
ADO
V
R
E
S
E
R
S
13/micro/micro.shtml#mas”.
DERECHO
Venezuela.
“Recuperado el 9, noviembre, 2011” de “http://www.monografias.com/trabajos
•
Hurtado, J. (2007). Metodología de la investigación. (4ta Ed.).
•
Luca, C (1975). Plantas eléctricas: teoría y proyecto. (8va Ed.).
•
Marbello, R. Hidrometría y Aforo de Corrientes Naturales. Universidad
Nacional de Colombia. Departamento de Ingeniería Civil.
•
Ochagavía, Manuel José (2006). El impacto de las centrales hidroeléctricas en
nuestros
ríos.
“Recuperado
el
14,
noviembre,
2011”
de
“http://www.riosysenderos.com/ baul/centraleshidroelectricas.htm”.
•
Penissi, O (1995). Microcentrales hidroeléctricas en Venezuela. (1era Ed.).
•
Ramírez, J (1977). Centrales eléctricas. (3ra Ed.).
•
Streeter, V. (2000). Mecánica de fluidos. (9na Ed.).
•
Sisa Amaguaya y Villarroel Herrera. (2009). “Diseño e instalación de una pico
central hidroeléctrica en la hacienda La Isabela”, Riobamba – Ecuador.
•
Tamayo y Tamayo, M. (1994). El proceso de la investigación científica. (5ta
Ed.).