Obtencion de Energía Hidráulica Por Gravitación Natural
Obtencion de Energía Hidráulica Por Gravitación Natural
Obtencion de Energía Hidráulica Por Gravitación Natural
Existen dos formas importantes de obtencin de energa hidrulica para el abastecimiento de agua, pudiendo ser mediante: - Gravitacin Natural - Equipos de Bombeo.
H h L
(1)
Donde: J, representa la perdida de carga unitaria en m.c.a. por metro de tubera (m/m) H, es la diferencia de nivel en metros, entre el inicio de la tubera (nivel de agua) en el reservorio o cmara de carga y el punto mas alto de entrega a la red de distribucin. L, es la longitud de la tubera principal a gravedad
H JL h
Del perfil longitudinal del trazo de la tubera principal, se determina la pendiente del terreno (S), que es la relacin entre la altura H y la longitud L,
H en m m % L
(3)
H SL
Igualando la ecuacin (2) y (4) se tiene:
(4)
JL h SL
A partir de la ecuacin (5), se obtiene L,
(5)
h h L
SL L ( S ( S
JL J ) J )
(6)
Donde: L = Longitud de la tubera principal, para alcanzar la altura H h = Altura o carga de presin, requerida en el punto de salida de la tubera principal S = pendiente longitudinal de la lnea principal en m/m. J= Gradiente hidrulico o perdida de carga unitaria en m/m. Con la longitud L, se ubica el punto de inicio de la tubera. Para determinar la altura H, en la ecuacin (4), se reemplaza los valores de S y L. Por ejemplo, se quiere conocer la ubicacin del reservorio de la cmara de carga, de la tubera principal a gravedad, para tener una presin dinmica h, requerida en el punto final o en la salida de la tubera, de 30 m.c.a. La tubera debe conducir un caudal Q 50 L / s y los tubos sern de PVC con un coeficiente de rugosidad C 150. El terreno tiene una pendiente.
S 2 % 0.02 m / m
Datos: h = 30 m.c.a. Q = 50 L/s C = 150 Solucin Primer tanteo 1 Para determinar la perdida de carga unitaria J, en m/m se asume un dimetro nominal de 8, Di = 203.20 mm. Utilizando la Hoja Excel (Frmula Hazen Williams), se obtiene V = 1.54 m/s y J = 9.131 m/Km. = 0.009131 m/m. 2 Para calcular la longitud (L) de la tubera principal se emplea la formula (6)
h (S J )
Reemplazando valores.
L 2.760.14m
3 Para determinar la diferencia de nivel (H) entre el inicio de la tubera principal y el punto final, se emplea la ecuacin (4)
3 La diferencia de nivel (H) entre el inicio de la tubera principal y el punto final, se calcula con la ecuacin (4).
En este escenario, el inicio de la tubera principal a gravedad esta definido, por lo que el diseo de la tubera debe adaptarse a las consideraciones de su ubicacin, as como a las del proyecto de riego presurizado. Se tiene los mismos datos que el escenario 1: 1 Presin (h), requerida en el punto final o de entrega de la tubera principal. 2 Caudal (Q), segn demanda del proyecto de riego y esta en funcin de la duracin de riego por da de 24 horas. 3 Clase de tubera a emplearse, para definir el valor del coeficiente de rugosidad (C). Con esta informacin se calcula la perdida de carga unitaria J. Conociendo la diferencia de nivel en metros o la altura H, entre el inicio de la tubera que puede ser un reservorio o una cmara de carga, se presenta tres posibilidades: 1 2 3
Primera Posibilidad: H ( JL) h En este caso donde H es ligeramente mayor que (JL)+h se logra que H=(JL)+h, aumentando el valor de la perdida de carga J, mediante la disminucin de los dimetros de los tubos, hasta que V=2.5 m/s. Segunda Posibilidad: H ( JL) h En este caso que H es bastante mayor que (JL+h), se puede lograr que H=(JL)+h, mediante el aumento de las perdidas de carga J, similar al caso anterior, si no fuera suficiente, debe complementarse la perdida de energa, con el uso de equipos o estructuras reductoras de presin. Tercera Posibilidad: H ( JL) h En este caso que H es menor al requerimiento de energa y para que H=(JL)+h, se requiere que el valor de la perdida de carga unitaria J, sebe disminuirse, aumentando el dimetro de los tubos, hasta que la velocidad del flujo sea V= 0.80 m/s. en el caso que no fuera suficiente estos procedimientos , debe complementarse la presin necesaria, aumentndola, con el empleo de equipos de bombeo.
c.- los canales laterales que abastecen a los reservorios o cmara de carga de la tubera principal a gravedad, as como a las estaciones de bombeo, se dimensionaran para un funcionamiento continuo de 24 horas sobre 24. En algunas situaciones estos canales se dimensionaran para un funcionamiento de 12 a 16 horas sobre 24, al igual que las tuberas principales a gravedad o de las estaciones de bombeo, cuando el abastecimiento es directo del canal a la tubera o a la poza de succin del equipo de bombeo. d.- los reservorios de regulacin, se dimensionan para un volumen til equivalen a 12 horas de operacin, con caudal continuo de 24 horas sobre 24.
1.2.2 Dotacin Unitaria de Agua. Para dimensionar la tubera principal a gravedad y las dems estructuras hidrulicas que conforman el sistema de riego presurizado, se debe definir el parmetro base de la dotacin o demanda unitaria (q) de agua de forma continua.
q l / s ha
Resultado de la demanda de agua, considerando el cultivo que tiene mayor consumo, durante el mes crtico (mes con mayor evaporacin o evapotranspiracin). La demanda de agua de un cultivo, (neta o bruta) se expresa en lmina o en altura de agua (La), medida en mm/da o tambin en volumen en m3/ha. Por ejemplo una lamina de agua La en mm/da puede expresarse en volumen en m3/ha-da. De la siguiente forma: La lamina de agua La en mm/da, se multiplica por 10, para expresarla en m3/ha. Una La de 5 mm/da es equivalente a 10x5 = 50 m3/ha-da. Una La de 8 mm/da es equivalente a 10x8=80 m3/ha-da. Para calcular la dotacin unitaria en l/s-ha, se divide los m3/ha-da por 86.4 Si la demanda de agua para una hectrea es de 50 m3/ha por da, el caudal unitario (q) de agua continua (24 sobre 24) es:
El coeficiente numrico 86.4, es por da, si el volumen por ha es para un ao, dicho coeficiente debe multiplicarse por 365 das.
1.2.3 Caudal de Diseo para dimensionar la tubera Principal La tubera principal se dimensionar, para un funcionamiento de 12 a 16 horas por da de 24 horas, segn los siguientes parmetros. Caudal unitario de diseo qd.
qd q
24 1 16 efic.
Donde: Q = Caudal unitario segn demanda (0.58l/s-ha) Efic.= Eficiencia de conduccin de la tubera (0.95) Luego:
qd 0.58
Para dimensionar la tubera principal a gravedad, que abastece de agua a una rea A de 54 ha, implementado con un sistema de riego presurizado, el caudal de diseo Q es:
3.- Consideraciones generales para el diseo hidrulico: De una Cmara de Carga y de una Estructura de Toma en Reservorio.
El aire es un gran perturbador en la conduccin de agua por tuberas a presin. La entrada de aire a la tubera principal, puede ser causada por la formacin de vrtices (remolinos). Las condiciones que favorecen la formacin de vrtices son: Por la altura de agua muy pequea sobre la tubera. Por las altas velocidades del flujo en la entrada de la tubera.
Para evitar vrtices, se debe tener una altura de agua mnima por encima de la tubera y reducir la velocidad de entrada en la boca de inicio de la tubera. Valores hasta 0.90 m/s son aceptables. Se recomienda tambin instalar una ampliacin en forma de campana. En la cmara de carga, el rea mnima de la pared, donde se ubica la tubera, no debe ser menor de 15 veces el rea de la seccin de entrada de la tubera. Por ejemplo para una tubera de 500 mm (0.5m) de dimetro, que tiene una rea de mnima de la pared es de 15 0.2 3m .
2
d 2
4
Desde el punto de vista hidrulico la altura de carga mnima (hmc) de agua por encima de la boca de entrada de la tubera debera ser:
hmc
v2 0.20m 2g
Siendo v la velocidad en la tubera. En la prctica se adoptan valores mnimos mas elevados, para evitar la formacin de vrtices, siendo la altura mnima de carga (hmc), dos veces mayor, el dimetro (D) de la tubera principal.
hmc 2 D
En los reservorios (vasos reguladores), la altura del volumen muerto (hm) es funcin de la altura de carga mnima (hmc) y del dimetro D de la tubera principal que se origina en la estructura de toma.
hm hmc D 2
En la Fig. N 04, se esquematiza la ubicacin de la tubera principal, la altura del volumen muerto (hm) y la altura del volumen til (hu).