Capítulo 10 1 Capítulo 10 Vector hidráulico: Como vector energético

67.23/37 – UBA – Ing- O. Jaimovich
Capítulo 10
Vector hidráulico:
Como vector energético se lo puede considerar de tipo concentrado, aunque no
en el grado de un combustible por ejemplo; tiene asimismo la capacidad de ser
almacenado sin necesidad de transformación alguna, lo cual ha permitido desarrollar
grandes instalaciones destinadas a regular su disponibilidad, dado que la misma no es
constante, sino que posee ciclos largos, de tipo estacional, con marcada influencia
meteorológica.
Este vector reconoce un uso en sostenido aumento desde la antigüedad, hasta
hace un par de décadas, donde el ritmo de expansión de la capacidad instalada mostró
una tendencia a detenerse.
Dicha tendencia reconoce dos causas principales, a saber:
‰
‰
‰
‰
Los costos de instalación crecieron en forma descontrolada, haciendo que la
financiación de las obras de gran envergadura sea muy dificultosa.
Los plazos de amortización resultaron sensiblemente más cortos de lo planeado
originalmente porque las instalaciones no tuvieron la duración en estado operativo
planeada.
Juntamente con los inconvenientes en la conservación de las obras (más que los
equipos), comenzaron a hacerse evidentes signos inequívocos de impacto
ambiental negativo.
Cuando se decidió atenuar parte de dicho impacto por vía de la adecuación de los
proyectos de las obras civiles, los costos derivados de dichas medidas hicieron que
los costos finales crecieran aún más, poniendo fuera de competitividad el costo del
kWh generado frente a otras alternativas.
En la actualidad se puede decir que prácticamente no se están instalando nuevos
emprendimientos, sobre todo en ríos de llanura, limitándose los países o empresas
poseedores u operadores de centrales hidroeléctricas a conservar las mismas en
razonable estado operativo.
Potencia de un sistema hidráulico:
Dado un sistema como el siguiente
Hb
Donde Hb es el salto bruto entre los dos niveles, si se consideran las pérdidas que
implican la cañería, válvulas si las hubiere, etc. englobadas en un valor Δh, se tiene que
el salto neto resulta:
H = Hb - Δh
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En base a lo anterior, la energía potencial de un salto de agua se puede aprovechar
mediante:
‰ El peso de una masa de agua que cae.
‰ La presión del agua.
‰ La velocidad del agua.
‰ La combinación de todo lo anterior.
La potencia hidráulica disponible N, para un volumen de agua V que pesa G y cae
desde una altura H, y que produce el trabajo W = G . H será:
G×H
γ ×V × H
= γ ×Q × H
t
t
Si lo que se utiliza es la presión, introducida en un cilindro de sección S y carrera L,
producirá un trabajo W = p.S.L= p.V, entonces la potencia será
N=
=
p ×V
= p × Q si p = γ × H entonces
t
Si se usa la velocidad media , la energía cinética es
N=
E = G×
U2
2g
entonces N =
resulta
N = γ ×H× Q
G ×U 2 γ ×V U 2
=
×
= γ × Q ×H
t × 2g
t
2g
U2
2g
O sea que cualquiera sea el medio utilizado (caída, presión, energía cinética), la
potencia hidráulica disponible de un salto neto H es siempre la misma.
pues por definición es H =
Si
⎡
⎤
[N] = ⎢ Kgm ⎥
⎢⎣ seg ⎥⎦
en KW resulta
N=
100
× Q × H ≅ 9,8 Q × H
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Rendimiento de las máquinas hidráulicas:
Se puede definir el rendimiento total como el cociente entre la potencia efectiva y la
potencia disponible:
N
η= e
N
La potencia efectiva se calcula mediante la evaluación de las pérdidas:
a)Pérdidas volumétricas:
Son debidas a las fugas de agua a través de la máquina, es decir, es la parte de caudal
que se pierde por juegos o huelgos entre las partes fijas y las partes móviles. La
reducción de potencia es proporcional a dicha pérdida de caudal.
En este caso se puede definir el rendimiento volumétrico como
ηv =
Q-q
donde
Q = caudal disponible;
Q
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q = caudal de pérdidas y Q - q = caudal efectivo
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b)Pérdidas mecánicas:
En este caso resultan de considerar los rozamientos entre las distintas partes de la
máquina, especialmente entre partes móviles y partes fijas, y se obtiene del cociente
entre la potencia efectiva utilizable y la potencia hidráulica calculada:
ηm =
Ne
N e = N - Nm
pero como es
N
donde es
ηm =
Nm = potencia de pérdida por rozamiento s, por lo que queda
N - Nm
N
c) Rendimiento total:
η T = ηV × η H × η M =
Q-q
Q
×
NH
N disp
×
Ne
N
=
Q-q
×
Q
Ne
γ (Q - q) × H
≅
Ne
γ ×Q × H
⇒ ηT =
Ne
N
Turbinas hidráulicas:
a)Turbinas de acción:
Son las llamadas turbinas de chorro, cuando el agua entra al rotor a presión
atmosférica; en este caso toda la energía potencial del salto se transforma en energía
cinética antes de entrar en el rotor; en él, dicha energía cinética se transforma en
energía mecánica.
b)Turbinas de reacción:
Cuando el agua llega al rotor con presión hidrostática mayor que la atmosférica; es
decir, entra con energía potencial de presión. Dentro del rotor la energía potencial de
presión se transforma (reacciona) en energía cinética.
En algunas turbinas esta transformación se realiza en el rotor (turbinas de derrame
interno) y en otras se realiza exteriormente (turbinas tipo hélice).
Las turbinas de acción son de admisión parcial, es decir, que el agua entra por uno o
más puntos de la periferia del rotor,
En las turbinas de reacción el agua ingresa en todo el contorno del rotor, es decir, son
turbinas de admisión total.
Esto se puede resumir:
Admisión parcial
Admisión total
Inyección
Reacción
turbinas de acción
Número específico de revoluciones:
El número específico de revoluciones o número característico es la velocidad de giro
con la cual una turbina produce una potencia unitaria (1 CV) a partir de un salto neto de
1 m., y se define
N
nS = n ×
H
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Donde n es la velocidad de giro de la turbina, H el salto neto en metros y N la potencia
disponible en CV
En base a lo anterior se puede efectuar la siguiente clasificación de tipos de turbinas:
Tipo
Número específico de
revoluciones
800 ≥ nS ≥ 500
400 ≥ nS ≥ 100
35 ≥ nS ≥ 20
Kaplan
Francis
Pelton
Salto neto en metros
H ≤ 80
500 ≥ H ≥ 80
2000 ≥ H ≥ 80
Se puede efectuar una clasificación primaria de estos conversores de acuerdo al
siguiente criterio:
Altura
Caudal
Tipo de máquina
Utilización
baja
media
elevada
elevado
grande
bajo
Kaplan
Francis
Pelton
Ríos de llanura
Ríos rápidos
Ríos de montaña
Asimismo, existen equipos adaptados para cursos pequeños de agua, con bajos
requerimientos en cuanto a instalación, y que por su baja potencia solamente sirven a
un solo usuario, es decir que no se utilizan para alimentar redes, que son las mini y las
micro turbinas hidráulicas.
Todas tienen en común su sencillez constructiva y su bajo costo, factor que
juntamente con los bajos costos de instalación las hacen adaptables a pequeñas
explotaciones rurales. Aunque la mayoría trabaja con pequeños saltos, existen modelos
de tipo Pelton para cuando se disponen grandes saltos con pequeños caudales.
Un esquema de la turbina Pelton es el siguiente:
TURBINA
TIPO PELTON
El número de chorros puede variar de uno a cuatro, dependiendo de los caudales
disponibles en cada caso.
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En cuanto a las turbinas Francis, un esquema general podría ser como el siguiente:
TURBINA TIPO
FRANCIS
Finalmente, las turbinas Kaplan tienen disposiciones como se indica en el siguiente
esquema:
TURBINA
TIPO KAPLAN
En este, como en todos los casos, la forma y las dimensiones son las que
corresponden a cada caso en particular, dado que no existen dos instalaciones
hidráulicas iguales.
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