unidad 1 maquinas fluidos

MAQUINAS Y SISTEMAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES

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MAQUINAS Y SISTEMAS DE FLUIDOS

INCOMPRESIBLES

COLOSO ROMANO TRABAJANDO

Disposicin lateral de molinos harineros en Barbegal, Francia para aprovechar la fuerza hidrulica.


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PLANTAS HIDROELECTRICAS


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CONCEPTOS BASICOS

Los antiguos se dieron cuenta de que el peso y esfuerzo de una palanca eran capaz de describir un circulo alrededor su fulcro ( punto de apoyo de la palanca), cuando inventaron una palanca que poda girar 360 , idearon entonces la segunda de las cinco mquinas bsicas : la rueda y el eje

Uno de los primeros usos de esta mquina elemental para el hombre fue en el molinete.

Las maquinas se clasifican en grupos:

maquinas de fluidos,

maquinas-herramientas,

maquinas elctricas,

etc. Pertenecen a el grupo de maquinas de fluidos. Aunque es rara la maquina en la que no intervienen uno o varios fluidos como refrigerantes, lubricantes, etc. esos solo no es suficiente para incluir dicha maquina en el grupo de maquinas de fluido. Maquinas de fluidos.- son aquellas maquinas de fluido en que este, o bien proporciona la energa que absorbe la maquina o bien aquellas en que el fluido es receptor de energa, al que la maquina restituye la energa mecnica absorbida. en todas las maquinas de fluidos hay un intercambio entre energa de fluido y energa mecnica. Las maquinas de fluido se clasifican en mquinas hidrulicas y mquinas trmicas.

Una mquina es un dispositivo capaz de absorber energa de una clase y restituir energa de otra por ejemplo un motor elctrico absorbe energa elctrica y restituye energa mecnica o la misma clase pero transformada por ejemplo una gra o un torno absorben y restituyen energa.


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Maquina hidrulica.- es aquella en que el fluido que intercambia su energa no varia sensiblemente de densidad en su paso a travs de la maquina por la cual en el diseo y estudio de la misma se hace la hiptesis de que = cte. maquina trmica.- es aquella en que el fluido en su paso a travs de la maquina varia sensiblemente de densidad y volumen especifico, el cual en el diseo y estudio de la maquina ya no puede suponerte cte. incomprensibilidad.- propiedad de ciertas sustancias cuyo volumen no varia de manera apreciable al someterlas a presin. cuando la presin no es muy elevada, muchos slidos y lquidos pueden considerarse como incompresibles con gran aproximacin. Energa Hidrulica

Es la energa que se obtiene de la cada del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidrulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivacin, y la instalacin de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversin de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbn o el petrleo son baratos, aunque el coste de mantenimiento de una central trmica, debido al combustible, sea ms caro que el de una central hidroelctrica. Sin embargo, el peso de las consideraciones medioambientales centra la atencin en estas fuentes de energa renovables. Este tipo de energa lo podemos meter dentro de la potencial ya que si no hubiese energa potencial esta no existira, tambin esta es una forma derivada de la energa solar, porque el Sol provee la fuerza impulsora del ciclo hidrolgico. Sin embargo, tradicionalmente se ha considerado como una forma de energa aparte.

Sistemas Hidrulicos Conjunto de equipos y dispositivos mecnicos relacionados entre s con la finalidad de obtener o aplicar energa a un fluido determinado con el objeto de que el trabajo que absorbe o realiza el fluido cumpla con una necesidad especifica, de sus diseadores. Entonces un sistema hidrulico no solo es basa en el hecho de los beneficios que se obtienen de su uso, si no tambin en el control que puede establecerse sobre el fluido que se utiliza, de manera tal que al obtener beneficios del fluido a travs de los sistemas que se utilizan para controlarlo, no represente un riesgo para quienes operen dicho sistema. Entonces se puede comprender que los sistema deben funcionar de manera conjunta y que todos los equipos y dispositivos componentes de este se encuentran ntimamente interrelacionados, por medios fsico-mecnicos.


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CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS Hay muchos mtodos de clasificacin en grupos de factores comunes, pero no puede decirse que exista una clara divisin de conjuntos de funcionamiento y de diseo nico, que permitan desarrollar estudios simples sobre las mismas bases. Sin embargo el comportamiento de los fluidos reales, bajo condiciones particulares, conduce a un anlisis de diseo especial para un nmero de tipos ms usuales, aunque se haga necesario estudiar cada uno de estos tipos separadamente. Una primera divisin que puede considerarse, se basa en la naturaleza del fluido de trabajo es decir, si este es incompresible o compresible. El estudio de las maquinas de fluidos incompresibles comprende todas las hidrulicas (bombas y turbinas), mientras que por otra parte las maquinas de fluidos compresibles comprende a todas las trmicas (compresores, turbinas de gas y turbinas de vapor). Una segunda clasificacin se hace en funcin al tipo de transferencia de energa que se establece entre la maquina y el fluido. As tenemos dos casos, en forma general. Cuando la energa se transmite de la maquina al fluido y cuando la energa se transmite fluido a la maquina.

La tercera clasificacin aceptada, se basa en la direccin del flujo a su paso por el rotor, teniendo as maquinas de flujo radial, axial y mixto (si tiene los dos flujos anteriores).Pudiendo subdividir el grupo de flujo radial en flujo hacia adentro y en flujo hacia fuera, segn se trate de compresores o turbinas. Por ultimo tambin se acepta una cuarta clasificacin, pero esta sustentada en el grado de reaccin de la maquina en estudio. Considerando por una parte a las maquinas de impulso con grado de reaccin cero y por otra parte a las maquinas de reaccin con grado diferente de cero. A continuacin se presenta un esquema de clasificacin mixto el cual se basa en un inicio en una clasificacin en funcin de la naturaleza del fluido, mientras que continua subclasificando en base a la naturaleza de la transmisin de la energa.


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MMM

AAA

QQQ

UUU

III

NNN

AAA

SSS

DDD

EEE

FFF

LLL

UUU

III

DDD

OOO

SSS

MAQUINAS

DE

FLUIDOS

COMPRESORES

TURBINAS

TURBOCOMPRESORESS

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

CENTRIFUGOS AXIALES

COMPRESORES DE EMBOLO ROTATIVOS POSITIVOS

GAS VAPOR

MAQUINAS

DE

FLUIDOS

MAQUINAS DE

TURBOMAQUINAS

COMPRESIBLES O TERMICAS

I

N

C

O

M

P

R

E

S

I

B

L

E

S

O

HIDRAULICAS

DESPLAZAMIENTO

POSITIVO

GENERADORAS MOTORAS

BOMBAS VENTILADORES

TURBINAS

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

RECIPROCANTES ROTARORIAS

DINAMICAS

CENTRIFUGAS ESPECIALES PERIFERICAS

CENTRIFUGOS AXIALES

ACCION REACCION

FLUJO TANGENCIAL

FLUJO AXIAL FLUJO RADIAL FLUJO MIXTO

BOMBAS DE EMBOLO MAQUINAS ROTOESTATICAS

MAQUINAS ALTERNATIVAS MAQUINAS ROTATIVAS

MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO FIJO MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO VARIADO


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POTENCIA TEORICA Y POTENCIA REAL En la mecnica de los fluidos hablar de potencia implica, entender que se trata de la rapidez con que un fluido absorbe o entrega un trabajo, es decir la capacidad que tiene este, para generarlo o utilizarlo. De una manera apropiada los lquidos por si solos no son capaces de absorber o producir energa que pueda ser expresada en trabajo, excepto claro, siempre que no se trate de una reaccin qumica. Si se pretende utilizar la energa que se extraiga a un fluido o aplicarle energa al mismo para un fin determinado, se requiere de medios externo capaces de apoyarnos en la conversin de la misma. Ahora bien, si el fluido al que hacemos referencia, es un lquido incompresible que es conducido por un tubo desde un punto inicial denominado 1 a un punto final 2 , y que V es el volumen que pasa por cualquier seccin del tubo en un tiempo determinado t , entonces el gasto Q estar denotado por V/t ; Situacin por la que concluimos que la potencia desarrollada por un lquido en movimiento ser.

P = QH Tambin es necesario hacer notar que, por la naturaleza fluctuante de un aprovechamiento hidrulico, no podemos hacer estimaciones predictivas de comportamientos futuros, basndonos solo en la potencia calculada, ya que como recursos naturales obedecen a leyes cclicas naturales, que puede ser modificadas para un beneficio en particular y controladas, pero siempre hasta un cierto punto. La expresin mostrada anteriormente, que hace referencia a la potencia, es la que posee el lquido inmediatamente antes de ser utilizado por una turbina hidrulica. La potencia que es entregada por la turbina al generador, o la que el motor transmite a la bomba para que sta produzca la carga necesaria, se llama potencia real y su interpretacin est en funcin del caso de que se trate. De acuerdo con la grfica que se muestra a continuacin se puede observar las diferentes perdidas que se presentan en el funcionamiento de una turbina o bomba, debiendo notar que las perdidas que se mencionan son perdidas de naturaleza hidrulica, debido a la manipulacin del fluido.

H

Hf

Hf

Hb H TURBINA

BOMBA

BOMBA

TURBINA


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TURBINAS En este caso se observa que si el agua baja por gravedad para transmitir su energa a una turbina, la carga de que dispone al entrar en contacto con la maquina no es Hb, llamada carga bruta, sino Hb hf. Por tal razn, la potencia entregada a la turbina o potencia terica es:

P = Q(Hb hf)

Sin embargo, dentro de la turbina hay prdidas que se involucran en un factor llamado eficiencia. As, la potencia real entregada por la turbina es un poco menor.

Pr = QH Donde:

= Potencia real Potencia Terica

BOMBAS En este caso, la potencia real es la que debe proporcionarse a la bomba para que sta eleve el agua. Sin embargo, la bomba no debe vencer nicamente el desnivel Hb que se mostr en la figura sino tambin las perdidas en la conduccin hf, es decir, la bomba debe entregar una potencia terica.

P = Q(Hb + hf)

P = QH A su vez el motor que acciona a la bomba necesita proporcionarle una potencia mayor que la anterior, de manera que se venzan las perdidas de la misma bomba,

representadas por su eficiencia , por lo que la potencia real en este caso es:

Pr= QH


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UNIDADES DE POTENCIA Y ENERGIA Las unidades usadas pro el sistema MKS o internacional en los aprovechamientos hidrulicos, son las que se muestran a continuacin en la siguiente tabla:

Magnitud Unidades Unidades de Equivalencia

Smbolo Equivalencia

Fuerza Newton Kg-m/s2 N 1 Kgf=1 Kg x 9.81 m/s2 = 9.81 N

Presin Pascal N/m2

Kg/m-s2 Pa

Trabajo Joule N-m Kg/m2-s2

J 1 Kgf-m=1 Kg x 9.81 m2/s2 =9.81J

Potencia Watt J/s Kg/m2-s3

W 1 Kgf-m/s=1 Kg x 9.81 m2/s3=9.81W

De acuerdo a las siguientes equivalencias el valor de la potencia, se podr evaluar de la siguiente manera:

Para turbinas: P = 9.81QH = Watts

Para bombas: P= 9.81 QH = Watts

Pero normalmente las magnitudes de la potencia se expresa en KiloWatts, a su

vez si el fluido con el que se trabaja es agua tenemos que =1000 Kgf/m3,

sustituyendo lo anterior en la formula de potencia anterior:

Para turbinas: P = 9.81QH = KiloWatts Para bombas: P= 9.81 QH = KiloWatts

Otras conversiones de potencia tambin usadas:

1 CV = 75 Kgf-m/s 1 HP = 550 Lbf ft/s

1HP1HP1HP


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FACTOR DE GENERACION Este factor debe su existencia, al hecho de que la potencia de una instalacin hidroelctrica no es una variable adecuada para medir su capacidad, debido esto, a su naturaleza instantnea, es decir, que la potencia que es capaz de entregarnos la planta en un momento determinado es efmera. La razn de esto es, la variabilidad del caudal con el que operan las turbinas en una planta y probablemente obtener una cantidad de energa deseable en un lapso de tiempo prolongado y a un ritmo sostenido, pudiera ser no factible, por depender de variables climatolgicas y temporales, relacionados con condiciones ecolgicas. Por otra parte, en los anteproyectos es necesario tener una idea rpida de la generacin que puede lograrse, en funcin de cada unidad de volumen de agua que pasa por las turbinas de una instalacin. Convirtiendo este factor en un parmetro ms aceptable para el diseo por relacionar directamente la potencia, el tiempo y el volumen de agua utilizado. De acuerdo con la ecuacin de la energa.

E = QHmT

En la que Q se expresa en m3/s y T en horas, la expresin anterior tambin puede escribirse.

E = K V HmT

T (3600)

Donde K representa el factor requerido para expresar la generacin en las unidades deseadas. Ordenando la ecuacin de forma equivalente.

E = Hm ____V

3600_

K

De la ecuacin, denotamos al factor de generacin fg como la parte de la expresin anterior.

fg = Hm ____

3600

K

Por la tanto la expresin de la energa de manera abreviada ser.

E= fg V


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Finalmente la ecuacin que define al factor de generacin se puede expresar as.

fg = Hm ____

3600

9.81

Los ingenieros proyectistas de la Comisin Federal de Electricidad normalmente

usan en anteproyectos las siguientes consideraciones: K=9.81, 9.81=8.00

considerando este ultimo como un valor aproximado, en el que es la eficiencia combinada de conduccin, de la turbina y el generador.

Si se desea un calculo expedito se usar la siguiente aproximacin.

fg = H .

450

Hay que considerar que el uso de esta aproximacin, no arrojar un resultado exacto, razn por la que solo se usa en clculos preliminares, obteniendo resultados con un nivel de aceptabilidad, si se desea exactitud deben observarse en forma estricta el comportamiento de todas las variables que intervienen, as como las caractersticas del proyecto. TRANSMISIN DE ENERGIA El proceso de transmisin de energa se da bajo el siguiente esquema.

Q,H

GRUPO

TURBINA - GENERADOR

SUBESTACION

ELEVADORA

SUBESTACION

ELEVADORA

(PERDIDAS) TRANSFORMADOR

CENTRO DE CONSUMO

SUBESTACION

REDUCTORA

CENTRO DE CONSUMO


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A continuacin se describe el proceso de transmisin de energa: 1.- A travs de los elementos Q y H, se produce energa mecnica en el rodete de la turbina, energa que es transmitida por medio de una flecha a un generador al que se acoplan mecnicamente, ambas mquinas. Producindose voltajes de 13.8 y 17 KV en Mxico(en otros piases 21 KV). 2.- Una vez producida la energa, esta se transmite, siendo necesario elevar el voltaje, para evitar perdidas, obedeciendo a la relacin:

P=(FP)(I)(V) Donde: P= Potencia FP= Factor de Potencia I= Intensidad de Corriente V= Diferencia de Potencial Otra razn para elevar el voltaje es disminuir la intensidad para transmitir con cables de menor dimetro y consecuentemente con costos menores. 3.- El siguiente elemento presente en las lneas de transmisin, lo constituyen las estaciones elevadoras las cuales tienen como funcin mantener un nivel elevado de voltaje para evitar perdidas debido a las distancias de transmisin. En Mxico el voltaje de transmisin es de 230 KV o 440 KV. 4.- En la siguiente fase de la transmisin y justo antes de que las lneas ingresen en su trayecto a zonas densamente pobladas se disminuye el voltaje a 6 o 13 KV, esto lo realizan las estaciones reductoras, las cuales cumplen con una finalidad de seguridad, es decir son voltajes ms seguros donde hay un excedente de poblacin, en cuanto a las razones tcnicas no es lo ms recomendable. Estas medidas tambin cumplen con las normas internacionales vigentes de seguridad para transmisin de energa, en zonas urbanas. 5.-Por ultimo el voltaje se reduce nuevamente a un voltaje de 220 v entre fases o 115 v entre fase y neutro, con la finalidad de que se pueda entregar al consumidor como producto terminado. Nota: la simbologa mostrada en el esquema anterior no se apega a las

simbologas normalizadas para la representacin de circuitos elctricos.


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TIPOS Y CARACTERISTICAS DE LAS CENTRALES ELECTRICAS Las plantas generadoras de energa se clasifican en funcin de la fuente de donde se genera calor o energa mecnica que posteriormente ponen en movimiento las turbinas, de acuerdo a este criterio, se pueden mencionar las siguientes: 1. Hidroelctricas 2. Termoelctricas 3. Geotrmicas 4. Nucleares 5. Elicas 6. Maremotrices 7. Solares Actualmente, en Mxico, las plantas ms importantes son las hidroelctricas, las termoelctricas y ltimamente nucleares.

Tipo / factor a analizar Hidroelctrica Termoelctrica Nuclear

Inversin inicial/KW alta baja Muy alta

Operacin-Manntto. bajos Muy altos altos

Confiabilidad baja alta Muy baja

Componente Econmica Nacional

alta Muy baja Muy baja (casi nula)

En relacin a los factores que deben analizarse definiremos la perspectiva de cada uno de ellos, ya que estos son los principales factores que se analizan antes de decidirse sobre el tipo de planta, que ha de instalarse: Inversin inicial /KW en este factor se intenta medir la relacin que existe entre la inversin inicial en dinero respecto a la produccin de la planta en kilowatts, que esta ser capaz de entregarnos. Operacin y Mantenimiento aqu se pretende valorar los costos en los que se incurre durante la operacin y los costos necesarios para mantener funcionando de manera optima la planta. Confiabilidad en este termino se hace referencia a la probabilidad de que no haya fallas, considerando de manera aceptable el hecho de que exista una falla con duracin de tres das por cada ao de operacin, o menos de ser posible. Componente Econmica Nacional en este punto se hace referencia a la proveniencia de recursos necesarios para la construccin y operacin de la planta, es decir que sean de origen nacional o importados. Los factores mencionados anteriormente no son todos, ya que tambin existen factores hidrolgicos, geolgicos, demogrficos, etc. Que tambin influyen y su


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grado de importancia esta estrictamente en funcin del tipo de planta que se pretende instalar. ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA PLANTA HIDROELECTRICA

En el esquema se pueden observar las principales partes, de las que se constituye una hidroelctrica estas son la obra de toma constituida por el vaso, la cortina, el pozo de oscilacin, el tnel de conduccin y la tubera de presin. Por otra parte las plantas cuentan con una casa de maquinas, en estas se encuentran el generado y la turbina principalmente, as como todo el equipo necesario para el control de estos dispositivos. Las obras civiles suplementarias, y que no se muestran en el esquema, sirven para transmitir la energa elctrica as como para el uso secundario que se le de al fluido del que se ha extrado energa.

Vaso

Toma

Cortina

Tnel de Conduccin Pozo de oscilacin

Tubera de Presin

Casa de Mquinas

Gra Viajera

Generador Turbina

Desfogue


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CURVAS DE DEMANDA Esta curva proporciona una representacin grfica de las exigencias de energa por parte del usuario, presentando cronolgicamente la relacin entre tiempo-potencia y demanda, por otra parte el rea que se ubica bajo la curva estar definida como la energa perdida en un lapso de tiempo. El enfoque de esta grfica tiene un significado mayor cuando esta se refiere especficamente a una planta en especial, por reproducirse en ella el comportamiento de dicha central, en este caso nuestra curva ser curva de operacin. Una vez definida la demanda en un sitio determinado es prudente reconocer el tipo de equipo que ah se debe instalar, en caso de que no exista este, es decir si se instalar equipo hidrulico o trmico o en un caso dado, la instalacin de sistemas integrado, esto es una combinacin de ambos y tambin se considera en algunas circunstancias una solucin factible; siendo conveniente que cada tipo de maquina describa su curva correctamente. Un aspecto importante a considerar es el hecho de que las maquinas hidrulicas se ven afectadas de manera ms sensible por las variaciones de potencia sin que esto se refleje en su eficiencia, este comportamiento es contrario al de las mquinas trmicas

Potencia instalada

Rodante

Mantenimiento

Reparacin

Reserva

Pinst

Pmax

Pm

J

H

H

T

T.G. y N.

TO

T

P

J- MAQUINAS TERMICAS DE

ARRANQUIE RAPIDO

H-TURBINAS HIDRAULICAS

T- TURBINAS TERMICAS

CONVENCIONALES

T.G.- TURBINAS TERMICAS

GRANDES Y/O DE BAJA

EFICIENCIA

N TURBINAS NUCLEARES

Potencia media


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RESERVA El concepto tcnico de la reserva se entiende como la garantizacin del servicio continuo de los equipos para uso emergente, es decir cuando el equipo instalado esta en reparacin, mantenimiento como la finalidad de este concepto es evitar interrupciones prolongadas del servicio por regla se instala una potencia mayor que la mxima demanda requerida, ha este excedente de potencia se le conoce como reserva. Los diferentes tipos de reserva considerados actualmente son: 1. Reserva rodante.- est es conformada por mquinas que giran en vaco, o sea

que, no producen energa y en caso de que se presentara una falla entran al sistema inmediatamente.

2. Reserva de mantenimiento.- esta reserva, justifica su presencia, cuando los equipos son sometidos a mantenimientos mayores y en algunos mantenimientos menores.

3. Reserva de reparacin.- Con esta reserva se evita que al fallar una mquina, la produccin se detenga si se cuenta con esta reserva, se har una sustitucin inmediata del equipo fallado.

En Mxico los porcentajes de la potencia instalada asignados a la reserva son:

De acuerdo al esquema anterior la potencia til que una planta esta dispuesta a entregar para su consumo es del orden del 78% del total de la potencia instalada.

100% potencia total instalada en la planta

Potencia util

entregada

78%

Reserva

rodante

4%

Reserva de

mantto.

10%

Reserva de

reparacin

8%


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FACTOR DE PLANTA Este factor pretende calificar el grado de generacin de una planta; es decir si la planta es capaz de generar la mxima potencia en las horas de mayor demanda, aun cuando deje de generar con una capacidad aceptable, fuera de estas horas. Tambin existen plantas que son incapaces de dar su mxima generacin, es decir, sin presentas variaciones sensibles en el flujo de energa generada. En el primer caso nos referimos a una planta pico, mientras que en el segundo caso, se trata de una planta base. En ambas situaciones el factor de planta es el parmetro de comparacin que permite establecer, de que tipo de planta se trata. El factor de planta se define, tcnicamente, como la relacin entre la potencia media (TDT) y la potencia mxima (Pm), durante un lapso determinado de tiempo (To). Esto se puede expresar as:

Fp=__Gtdt___ To Pmax

Para clasificar el tipo de planta, se ubica la magnitud del factor de planta calculado dentro de los lmites de factor de planta estandarizados para clasificacin y estos son los siguientes:

Fp 0.40 planta pico Fp > 0.40 planta base

Como resultado de la tabulacin grfica de la frmula que define al factor de planta se obtiene, la curva de operacin de una planta hidroelctrica, est indica cantidad de trabajo en un perodo de tiempo. Pudindose identificar fcilmente la grfica correspondiente a una planta base o a una pica.

P

T

Potencia Mxima

Potencia Media

0

GTOTAL

To

Planta de Base

P

T

Potencia Mxima

Potencia Media

0

GTOTAL

To

Planta de Pico


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CURVA DE DURACION DE CARGA Para fines prcticos aplicativos no solo conviene conocer las curvas de potencia y las curvas de demanda, sino tambin es necesario relacionar ambas a travs de otro tipo de curva, que muestre los parmetros anteriormente mencionados. Este tipo de curvas representa cronolgicamente la duracin de la potencia aplicada, independientemente del momento en que se presente. A esta se le llama curva de duracin de carga. Como se puede observar en la figura, se trata de la misma curva de demanda, de acuerdo con estas figuras el rea bajo ambas curvas es idntica, ya que se trata de la generacin producida en una planta determinada o la generacin demandada por el sistema, con la diferencia de que la curva de duracin de carga indica ms rpidamente el tiempo en que se sostiene una potencia determinada sin importar en que momento o fecha se present.

Esta informacin define las particularidades que el proyectista exige de sus maquinas, o, si ya stas han sido seleccionadas, la curva ayuda a definir cual es su la disposicin ms conveniente para cumplir con la demanda.

PLANTA DE ACUMULACION DE ENERGIA O DE REBOMBEO Este tipo de plantas trabajan bajo el siguiente principio, en las horas de gran demanda generan energa elctrica como cualquier planta convencional y en horas de baja demanda, especialmente durante la noche, se le suministra energa de otra fuente generadora del sistema, para elevar el agua por medio de bombeo al vaso; de Manera tal que este tenga suficiente agua para generar nuevamente en horas pico del da siguiente, y completar un ciclo. Esta forma de operar es econmica, solo bajo las condiciones de que la energa entregada por el sistema para bombeo sea ms barata que la energa producida por la planta para el consumo de los usuarios.

P P

T T

CURVA DE DEMANDA CURVA DE DURACUION DE CARGA


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CONSIDERACIONES COLATERALES DE LOS APROVECHAMIENTOS HIDRAULICOS

Una de las consideraciones ms importante antes de realizar un proyecto, es decir, en la etapa de la elaboracin del anteproyecto, debe considerarse, en trminos muy generales las razones que justifican la construccin de una presa, aun cuando este tipo de consideraciones caen dentro del campo del ingeniero constructor o civil, es prudente, que los ingenieros elctricos y mecnicos a cargo del diseo y/o que participen en el proyecto conozcan todos los detalles del mismo, tratando de que ninguna obra aledaa a la planta afecte en la disposicin y funcionamiento del equipo elctrico y mecnico ah instalado. Entre las razones ms importantes que justifican la construccin de una presa y a las que llamaremos objetivos del aprovechamiento hidrulico, podemos encontrar las siguientes Agricultura. Tierras econmicamente cultivables Agua potable. Ciudades, poblaciones, industria, etc. Energa elctrica. Ciudades, poblaciones, industria, etc. Turismo. Recreacin Alimentacin acutica. Acuicultura Control de avenidas. Proteccin de zonas pobladas, agrcolas, culturales, etc. Todas las presas son realmente de usos mltiples, aunque en ocasiones, al elaborar el proyecto se ignore algunos de sus futuros beneficios. Sin embargo, debe tenerse presente que las presas no solo reportan beneficios, sino que, como toda obra hecha por el hombre, altera la naturaleza y tambin provoca daos, como lo son:

Ecolgicos. Inundacin de bosques, cambios en la vida animal, temperatura, paisaje, etc.

Econmicos. Afectacin de poblaciones, cultivos, industrias, etc.

Culturales. Destruccin de zonas arqueolgicas, monumentos histricos, etc. Algunas veces las presas rebasan las expectativas de su creacin inicial, es decir, que han sido construidas con un fin primordial y alguno o algunos secundarios, siendo posteriormente, ms importante por los beneficios subsecuentes que se han alcanzado con su creacin. Lo que significa que las plantas que alguna vez fueron creadas con el fin de generar energa, llegan a ocupar mayor importancia por su obra de presa que permite en algunos casos ser instrumento auxiliar en campos de riego u otras aplicaciones.


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CRITERIOS IMPORTANTES A CONSIDERAR EN LAS APORTACIONES Y LAS DEMANDAS

Cuando ha sido seleccionado el lugar donde se construir la cortina de la presa, las dimensiones de esta, quedar en funcin de los volmenes que aporta el ro y de las demandas o requisiciones de energa. Hay que tener en cuenta que la altura y el tipo de cortina estn limitados por la topografa y la geologa del lugar. El comportamiento de un ro se conocer mejor si los registros histricos de sus estaciones hidromtricas son ms extensos, esto significa que entre mayor informacin se tenga del ro ms exacta ser la determinacin de su comportamiento futuro; para lograrlo se utilizan mtodos estocsticos por medio de los cuales se pretende simular el funcionamiento del ro confrontando estos mtodos con polticas de demanda y criterios de operacin. Una vez definidas las aportaciones, es posible realizar las simulaciones y analizar los resultados, determinar los parmetros principales; como lo son: el volumen de almacenamiento, la capacidad del vertedor, la obra de toma, los niveles de operacin, la capacidad de regulacin del vaso, la potencia por instalar y la generacin esperada. CONSIDERACIONES GENERALES PARA DEFINIR LA CAPACIDAD DE UNA

PLANTA HIDROELECTRICA El volumen que debe tener el vaso creado por la cortina, esta sujeto a: 1) Aportaciones del ro 2) Uso principal

Planta de picos. Si se desea potencia, entonces se requiere de cargas altas

Planta de base. La altura no es tan importante, como un caudal estable. 3) Uso secundario

Control de avenidas

Riego

Recreacin

Acuacultura 4) Limitaciones a la altura de la cortina

Geologa y sismicidad

Topografa del sitio. Evitar que el vaso quede en una zona donde las inundaciones implican perdidas mayores (poblaciones, zonas industriales, culturales, etc.)

Evaporaciones. A mayor altura de la cortina es mayor la superficie del libre del vaso, por lo tanto tambin lo son las evaporaciones y esto puede ser una limitante digna de consideracin.


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NIVELES O COTAS DE OPERACION

A continuacin se muestra en la figura los niveles de operacin del vaso de una planta hidroelctrica.

En esquema anterior se pueden observar los limites de las cotas que deben tomarse en cuenta para el diseo del vaso en una planta as como la cantidad de caudal que la fluente aportar a la turbina, para ponerla en movimiento. Como se puede ver , estos niveles varan la magnitud de sus cotas de operacin en funcin de la altura del salto y el volumen de agua presente en el ro.

Azolves

NAME

NAMO

NDIS

NAMINO

Volumen til

Volumen para

control de

avenidas

Corona

NDESF

Hb

Hbdis

Q

t

Hidrograma

de entrada

Q

t

Hidrograma

de salida

Bocatoma

Ahogamiento mnimo


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NDESF (Nivel del desfogue) Tambin llamado nivel de aguas abajo y este es el nivel que tiene el deposito de agua, una vez que esta ha sido utilizada por la turbina, normalmente se toma un valor medio pero un estudio riguroso exigira conocer la curva de gastos (cotas-gastos) de dicho desfogue. NAMINO (Nivel de aguas mnimas de operacin) Es l limite inferior del agua en el vaso abajo del cual las turbinas no deben trabajar. Este nivel se encuentra por encima del conducto de alimentacin a la turbina llamado Bocatoma (como se observa en la figura anterior), la razn es evitar que dicho conducto absorba aire hacia el interior de su seno y lo conduzca a la turbina produciendo efectos dainos como lo son cavitacin, turbulencias y discontinuidad en el flujo de agua; Esto se presentara en las tuberas y sobre todo en las turbinas, por otra parte si se construye la bocatoma por abajo del NAMINO se garantiza el ahogamiento mnimo necesario para evitar estos problemas, este ahogamiento aun no se ha definido con precisin, pero un valor aceptado es ubicndolo al menos dos dimetros del tubo de alimentacin, por abajo del nivel mnimo de operacin, en donde inmediatamente se encontrara con la bocatoma. Otra consideracin importante es el hecho de que el NAMINO y la bocatoma debern estar encima del nivel de los azolves este nivel se considerar sobre la base de los registros histricos de arrastres de sedimentos en el ro y estimando el volumen de azolves que se acumulen durante la vida til de la presa, la cual normalmente se considera de unos 50 aos NDIS (Nivel de diseo) Este nivel se determinar de acuerdo a los estudios y simulaciones realizadas y es el que se presentar con mayor frecuencia durante el funcionamiento de la planta este corresponder a la carga para la cual se disea la turbina y consecuente esta operar en condiciones optimas. NAMO (Nivel de aguas mximo de operacin) Este nivel es el correspondiente a la mxima posicin de la superficie de agua en el vaso, en condiciones normales de operacin, cuando el nivel de embalse sobrepasa este nivel se considera una situacin emergente, por consecuencia en ese nivel empiezan los derrames esto es que se pone en funcionamiento la obra destinada a deshacerse de las excedencias de agua. Este nivel se determina en funcin de la magnitud de aportaciones del ro y del tipo de operacin que se asigne a la planta. Es conveniente hacer notar que el volumen de agua comprendido entre este nivel y el NAMINO es el volumen almacenado aprovechable o la capacidad til o tambin se le llama capacidad de regulacin del vaso.


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NAME (Nivel de aguas mximas extraordinarias) Esta es la posicin ms elevada del embalse aceptada en el proyecto y es el mximo nivel que puede alcanzar el ro, cuando se ha diseado adecuadamente este nivel no se alcanzar con gran frecuencia; una consideracin prudente es obtener los registros de niveles del ro del mayor tiempo posible atrs aceptablemente unos 10000 aos, pues cuanto ms informacin se tenga compilaremos con ms exactitud la frecuencia y consecuencias de los ciclos naturales que se presentan, es decir hay fenmenos que aparecen cada ao, cinco aos, diez aos, 100 aos, etc. Sobre el NAME siempre se deja un borde libre de seguridad y este borde ms el resto de niveles dan como resultado la altura mxima de la cortina.

unidad 1 maquinas fluidos

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