métodos de medición del caudal de un río pequeño
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Índice
1. Análisis de los canales de conducción
1.1) Geometría de las secciones transversales. Formas más 2
convenientes
1.2) Sección rectangular 2
1.3) Sección trapecial 3
1.4) Sección parabólica 3
1.5) Sección triangular 4
1.6) Sección tolva 4
1.7) Sección circular 5
2. Métodos de medición del caudal de un río pequeño 7
2.1) Método del flotador 7
2.2) Método volumétrico 7
2.3) Método de la trayectoria 10
2.4) Estructuras de medida 13
3. Golpe de Ariete de una Turbina 15
4. Etapas para un proyecto de una mini central hidroeléctrica 17
4.1) Etapas del Proyecto 17
4.2) Estudio de Prefactibilidad 17
4.3) Estudios Básicos 17
4.4) Obras civiles 18
4.5) Estudio Ambiental 19
5. Bibliografía 21
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1. Análisis de los canales de conducción
1.1) Geometría de las secciones transversales. Formas más convenientes
Analizaremos cuál es la sección más conveniente teniendo en cuenta sólo las condiciones hidráulicas, o sea la forma geométrica de sección transversal más eficiente, o sea que conduce el mayor caudal. Es decir, que no se analizan factores como factibilidad de construcción, materiales, costo de excavación, etc. El caudal aumenta con el aumento del radio hidráulico. Por lo tanto aumenta cuando el área de la sección transversal también aumenta o cuando el perímetro mojado disminuye. La sección que tenga menor perímetro mojado para un área determinada transportará mayor caudal, entonces esa sección es la óptima hidráulicamente. Entre secciones de igual superficie, el semicírculo tiene el menor perímetro, por lo que es la forma geométrica más eficiente desde el punto de vista hidráulico.
A continuación se resumen criterios para elegir la sección más conveniente hidráulicamente:
Entre las superficies de igual perímetro la de mayor superficie es el círculo. De los polígonos de n lados, el de mayor superficie es el regular. De los polígonos de lados de longitud dada el de mayor superficie es el que se
inscribe en un círculo. De los polígonos de ángulos dados el de mayor área superficie es el que se
circunscribe en un círculo.
La sección transversal puede considerarse como medio polígono, para poder aplicar las condiciones anteriores. Por lo tanto la mejor sección es el semicírculo, entre las trapeciales el semihexágono regular, entre las rectangulares el semicuadrado, y entre las triangulares el triángulo isósceles de 45º. El principio de la mejor sección hidráulica se aplica sólo en el diseño de canales no erosionables, o sea revestidos con hormigón o cualquier otro material. Las secciones transversales en canales naturales son irregulares, mientras que en los canales artificiales se proyectan de formas geométricas regulares. A continuación indicamos las más usuales.
1.2) Sección rectangular
Como la sección rectangular, tiene sus lados verticales, se usan en canales revestidos, sus paredes deben ser autoportantes por lo que son generalmente de Hormigón Armado, se dimensionan a un estado carga que contempla el empuje del agua y el del suelo a los costados del mismo. El dimensionamiento y proyecto integral de un canal corresponden a la Materia de Obras hidráulicas I, de modo que en nuestra Materia sólo estudiaremos el canal desde el punto de vista de su comportamiento hidráulico, y no desde el punto de vista integral.
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1.3) Sección trapecial:
Desde el punto de vista constructivo y económico es una de las secciones más usadas por su rapidez constructiva y economía de materiales. Los espesores del hormigón de revestimiento son menores que para las secciones rectangulares, y necesitan menos armadura que las mismas. El parámetro que aparece en este tipo de sección transversal es el talud lateral “z” que se expresa como la tangente del ángulo que forma el talud con la vertical, o sea cateto horizontal sobre cateto vertical (H:V).
1.4) Sección parabólica.
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1.5) Sección triangular:
1.6) Sección tolva
En la cual la sección transversal se puede calcular mediante el ábaco de Lhemann, ya que la expresión matemática que la representa es muy complicad de expresar, pero depende del ángulo ϕ, el radio r de la porción circular y los taludes laterales z
La sección tolva tiene un muy buen rendimiento hidráulico, desde el punto de vista de su forma, pero cuando se trata de evacuar grandes caudales las secciones transversales se hacen muy profundas complicando bastante la construcción del canal, no sólo por la excavación, sino también por la necesidad de contar con muy buenas propiedades portantes en el suelo a profundidades mayores.
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1.7) Sección circular: acueductos abovedados
En este caso la conducción tiene una geometría cerrada, pero hidráulicamente trabaja a presión atmosférica, o sea como una canalización abierta. Esta forma se utiliza para el transporte de líquido cloacal por ejemplo. La característica hidráulica más importante es que el máximo caudal no ocurre con el ducto lleno.
Para encontrar la altura en la que se produce la velocidad máxima, debe encontrarse el valor de ϕ que haga máximo el radio hidráulico:
Expresando la altura en función de ϕ y reemplazando el valor encontrado:
Por lo que, la velocidad máxima se produce a una h=1,64 r
De la misma manera, para encontrar la altura a la que se produce el caudal máximo, aceptando queel coeficiente C es independiente del radio hidráulico:
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Operamos matemáticamente para encontrar que el valor de ϕ que satisface la ecuación es 308º 10’.Por lo que h=1,90 r. Observando la gráfica, se deduce que para un acueducto circular con Movimiento Permanente Uniforme (M.P.U.), la velocidad media para h/D= 0,5 y para h/D= 1 son iguales, entre estas dos alturas hay dos alturas conjugadas cuyas velocidades medias serán iguales, produciéndose el valor máximo para h/D= 0 ,84 .
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2. Métodos de medición del caudal de un río pequeño
Entre los métodos más utilizados para medir caudales de agua se encuentran los siguientes:
1. Método del flotador2. Método volumétrico3. Método de la trayectoria4. Estructuras de medida
2.1) MÉTODO DEL FLOTADOR
El método del flotador se utiliza en los canales y acequias y da sólo una medida aproximada de los caudales. Su uso es limitado debido a que los valores que se obtienen son estimativos del caudal, siendo necesario el uso de otros métodos cuando se requiere una mayor precisión.
- Materiales
Se elige un tramo del canal que sea recto y de sección transversal uniforme, de alrededor de 30 metros de largo, donde el agua escurra libremente.Se marca en el terreno la longitud elegida y se toma el tiempo que demora el flotador en recorrería, con el fin de conocer la velocidad que lleva el agua en esa sección (Fig. l).Como flotador se puede usar cualquier objeto que sea capaz de permanecer suspendido en el agua, como un trozo de madera, corcho u otro material similar, que no ofrezca gran resistencia al contacto con el aire y que se deje arrastrar fácilmente por la corriente de agua.
Figura 1. Medición de caudal mediante el método del flotador
- Determinación de la velocidad
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Para conocer la velocidad del agua deberá dividirse el largo de la sección elegida, en metros, por el tiempo que demoró el flotador en recorrerla, expresado en segundos, como se Indica en la siguiente relación.
El paso siguiente es determinar el área promedio del canal (sección transversal del canal).
- Determinación del área del canal
Se multiplica el ancho promedio del canal por su profundidad, con todas las medidas expresadas en metros (ver Figura 2).
Figura 2. Medidas necesarias para determinar el área de un canal.
Determinación del caudalConocida la velocidad (V) del agua y el área (A) del canal, se aplica la siguiente fórmula para calcular el caudal (Q):
Q = A x V x 850donde:
Q = caudal en l/sA = área del canal en m2V = Velocidad en m/s
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- Ejemplo para calcular el caudal, utilizando el Método del Flotador
a) Cálculo de la velocidad
Largo sección canal = 10 metros.Tiempo en recorrerla = 20 segundos.
Velocidad = 10/20 = 0,5 m/s
b) Cálculo del área (ver Fig. 3)
A = [(0,60 + 0,40)/2] * 0,30 = 0,15 m2
c) Cálculo del caudal
Q = 0,15 * 0,5 * 850 = 63,75 l/s
Figura 3 Medidas de la sección del canal del ejemplo, para determinarel área del canal.
Una variante de este método corresponde a aquella que utiliza un "molinete hidráulico" para medir la velocidad del agua a distintas profundidades del canal; multiplicándose dicho valor por el área del canal para la obtención del caudal.
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2.2) MÉTODO VOLUMÉTRICOEste método permite medir pequeños caudales de agua, como son los que escurren en surcos de riego o pequeñas acequias. Para ello es necesario contar con un depósito (balde) de CANAL volumen conocido en el cual se colecta el agua, anotando el tiempo que demora) en llenarse. Esta operación puede repetirse 2 ó 3 veces y se promedia, con el fin de asegurar una mayor exactitud (Figura S).
Dividiendo el volumen de agua recogido en el recipiente por el tiempo (en segundos) que demoró en llenarse, se obtiene el caudal en litros por segundo.
Ejemplo: Volumen del Balde: 20 litros.Tiempo que demoró en llenarse: 10 segundos.
Caudal en l/s = 20/10 = 2 l/s
Figura5: Medición de caudales utilizando un balde y un cronómetro.
2.3) MÉTODO DE LA TRAYECTORIA
Este método es de gran utilidad para el aforo de tuberías y bombas. Con él es posible obtener una aproximación aceptable cuando se usa en forma adecuada. La ventaja que presenta es su fácil y rápida operación.
Procedimiento
El material que se utiliza es una escuadra, cuya forma se indica en la Figura 6 (tubería a nivel). La característica de ella es que uno de sus lados (Y) debe medir 25 cm para poder hacer uso de las tablas que se detallan a continuación. La medición se realiza desplazando la regla hasta que el extremo inferior (mango) roce el chorro de agua que sale del tubo. El lado X de la regla debe quedar paralelo y apoyado en dicho tubo, para medir así la distancia horizontal que hay desde el punto donde el chorro toca la regla, a la boca de salida de la tubería.
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Figura 6. Medición de caudal en una tubería llena en posición horizontal.
La tubería debe estar en forma horizontal. Debe cuidarse que no se produzcan curvaturas a lo largo de ella y que la tubería vaya llena de agua.
Es conveniente hacer varias lecturas con el fin de promediar los resultados y obtener una medición más próxima al caudal verdadero. Una vez realizada la medición en la reglilla horizontal X, se mide el diámetro interno del tubo.
Con estos dos valores se determina el caudal en la Tabla 1.
Ejemplo: Lectura sobre la reglilla horizontal (X) = 40 cm
Diámetro del tubo = 5 pulgadasCaudal según Tabla 1 = 22.0 l/s
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Tabla 1: Caudal en l/s para varios diámetros de tuberías.
* Datos del ejemplo.
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2.4) ESTRUCTURAS PARA MEDICIÓN DE AGUAS
Como hemos visto, la medición de caudales puede ser hecha por distintos métodos, sin duda los sistemas más eficientes y exactos son aquellos que utilizan estructuras especiales.
Casi todas las clases de obstáculos que restringen parcialmente la corriente de agua en un canal pueden ser utilizados para medición de caudales, siempre que se les calibre apropiadamente.
Existen, sin embargo, una gran cantidad de sistemas y dispositivos utilizados en la medición de aguas. En este caso, se detallan sólo los más conocidos y sencillos, como son los vertederos y orificios.
VERTEDEROS
Sin duda alguna son los más sencillos y utilizados para medir el caudal de agua en canales abiertos.
Según la forma que se obligue a adoptar a la sección de la vena líquida que circule por él, se clasifican en rectangulares, trapezoidales y triangulares (Figura 7).
La carga o altura de agua que pase sobre la cresta del vertedero debe medirse a una distancia aguas arriba tal, que no sea afectada por la depresión de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta. Esto se consigue haciendo las mediciones a una distancia de por lo menos seis veces la carga (altura) máxima a la que puede llegar el vertedero.
La forma más conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del canal o acequia aguas arriba del vertedero, (a la distancia señalada de por lo menos 6 veces la carga de agua a medir), sobre la cual se fija una reglilla graduada en centímetros, cuidando que su origen, el cero, quede a la altura de la cresta del vertedero (Ver Figura 8).
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Figura 7: Distintos tipos de vertederos.
Figura 8: Esquema de medición de la carga de agua que pasa por el vertedero.
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3. Golpe de ariete de una turbina
Tenemos la ecuación: ∆ p=kρLVt c
donde:
∆ p : sobrepresionencierre lentodeuna valvulaρ :densidad del fluidoL : longitud de latuberiaV :velocidad del fluido
t c : tiempo decierre de valvula
k :coeficiente paratuberiaelastica , cierrelento1−2
Supongamos que en una central un grupo se queda bruscamente sin carga. Si el distribuidor Fink o el inyector Pelton se cerrasen lentamente la turbina se embalaría. Esto puede originar una seria averia mecánica; luego hay que evitarlo; pero si el distribuidor Fink o el inyector se cierran rápidamente, se produce el golpe de ariete.
Para solucionar este problema se utiliza en las turbinas Francis el orificio compensador, en las turbinas Pelton la pantalla deflectora, y en unas y otras la chimenea de equilibrio.
El orificio compensador esencialmente es un orificio obturado con una válvula que, cuando la turbina se queda sin carga, se abre automáticamente. Al abrirse pone en comunicación directamente la cámara espiral con el canal de salida sin pasar el rodete. De esta manera la turbina no se embala. A fin de que no se gaste mucha agua el distribuidor se cierra, pero lentamente, evitándose así el golpe de ariete. La temporización de los dos movimientos: lento el cierre del distribuidor y rápido la apertura del orificio compensador se consigue en la regulación automática con un rele hidráulica.
La pantalla deflectora lame permanente al chorro. Si la turbina Pelton se queda sin carga, la pantalla deflectora automáticamente se hunde en el chorro desviándolo en el acto, con lo que se evita el embalamiento de la turbina. El golpe de ariete no se produce, porque sigue circulando el agua por el inyector y la tubería forzada. A fin de evitar la pérdida de agua el inyector se cierra lentamente y su temporización se consigue con la regulación automática.
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La chimenea de equilibrio se ha de colocar lo más cerca posible de la central. La onda elástica de sobrepresión no se propaga en la tubería que une la chimenea de equilibrio con el embalse porque la onda se refleja en ella. Por tanto, la conducción entre la chimenea y el embalse sujeta a mucha menos presión puede construirse como un túnel. Al mismo tiempo se reduce la longitud de la tubería entre la turbina y la chimenea de equilibrio, con lo que el golpe de ariete queda aminorado.
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4. Etapas para un proyecto de una mini central hidroeléctrica
I. ETAPAS DEL PROYECTO Inventario Reconocimiento Prefactibilidad
o Localización de los sitios de obrao Información básica
FACTIBILIDAD o Estimación de la demandao Encuestaso Potencia
Diseño
II. ESTUDIOS DE PREFACTIBILIDAD Pequeña central hidroeléctrica de Lopez de Micay
o Generalidades o Localización o Descripción de la planta o Observaciones a los estudios de prefactibilidad
Pequeña central hidroeléctrica de Mitu o Generalidades o Localización o Descripción de la planta o Observaciones a los estudios de prefactibilidad
III. ESTUDIOS BÁSICOS Cartografía Topografía
o Método del nivel con manguera o Método del nivel de carpintero o Método del clinómetro o Método del barómetro o Método del profundímetro
Estudio geotécnico o Mecánica de suelos o Ubicación de las obras y tipos de suelo o Materiales naturales de construcción o Métodos para la investigación geológica o Métodos de excavaciones y sondeo
Sondeo Perforación Pozos de inspección
o Geología y geomorfología Estudio hidrológico
o Caso 1: Si existe información
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Curva de caudales Hidrograma Curva de duración de caudales Curva de frecuencias Caudal de diseño Curva de caudal contra calado Volumen de sedimentos
Medición de sedimentos o Caso 2: Cuando hay registros pluviométricos
Método aritmético Método de los polígonos de Thiesen Método de las isoyetas Caudal máximo
Triangular Trapezoidal
Caudal mínimoo Caso 3: Si se cuenta con registros de una estación cercana
Transposición de caudales Potencial hidroenergético
o Principio y funcionamiento de una PCH Potencia Energía
Estudio para la generación de electricidad usando energía eólicao Medición de la velocidad del viento
Anemómetros totalizadores Método de correlación Instalación de pequeños equipos eólicos Adquisición de datos en tiempo real
o Uso de la energía solar para la generación de energía eléctrica Estudios para la aplicación de dendroenergía y de diesel para la generación
de energía eléctrica
IV. OBRAS CIVILES Bocatomas
o Partes de la bocatomao Presa de derivacióno Tipos de bocatoma
Bocatoma tipo I Dimensionamiento
Bocatoma tipo II Dimensionamiento
Bocatoma tipo III Dimensionamiento
Canales de conduccióno Revestimiento de canales
Dimensionamiento Aliviadero Desarenadotes
o Tipos de Desarenadores Desarenadores de lavado intermitente Desarenadores de cámara doble Desarenadores de lavado continuo
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o Dimensionamiento Tanque de presión Dimensionamiento Tubería de presión
o Selección de la tubería de presión o Materiales
Acero comercial Policloruro de vinilo Hierro dúctil centrifugado Asbesto-cemento Resina de poliéster con fibra de vidrio reforzado Polietileno de alta densidad
o Tipos de uniones Uniones con bridas Espiga y campana Uniones metálicas Uniones soldadas Juntas de expansión
o Diámetro de la tubería o Espesor de la tuberíao Apoyos y anclajes o Golpe de arieteo Chimenea de equilibrio
Casa de máquinaso Ubicación
Válvulas o Válvula mariposa o Válvula de compuerta o Válvula esférica
Turbinas o Características generales de las turbinas
Turbina Pelton Turbina Michell-Banki Turbina Francis Turbina Axial Otras turbinas
Generadores o Características generales
Alternadores Generadores de inducción
V. ESTUDIOS AMBIENTALES Diagnóstico ambiental de alternativas Estudio de impacto ambiental
o Fases del estudio Identificación Predicción
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Evaluación de los impactos Atenuación
o Prefactibilidad o Caudal ecológico
Método Montana Método de caudales progresivos
o Costos Evaluación socioeconómica
o Análisis de beneficios o Análisis de ingresos y egresos
Ingresos del proyecto Egresos del proyecto
o Métodos para el cálculo de la rentabilidad Métodos estáticos para el cálculo de la rentabilidad
Cálculo comparativo de costos Método de comparación de anualidades de costos Cálculo de la rentabilidad Cálculo del periodo estático de amortización Método acumulativo Método de promedios
Métodos dinámicos para el cálculo de la rentabilidad Método del valor actual de capital Método de la tasa interna, TIR Método de las anualidades Método de comparación de anualidades de gastos Cálculo dinámico de amortización
o La inflación y la influencia sobre la rentabilidad o Análisis de rentabilidad
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5. Bibliografía
“Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidraúlicas”, Claudio Mataix, 1970
“Centrales Hidroelectricas”, Harper Enrriquez, 2000
“Turbomáquinas”, Manuel Polo Encinas
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