diseño de central hidroelectrica

5/22/2018 Dise o de Central Hidroelectrica

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DISEO MINI CENTRAL DE GENERACION HIDROELECTRICA PTAR UPS

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA,

SEDE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERIAS

CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA

TESIS PREVIO LA OBTENCION

DEL TITULO DE INGENIERO ELECTRICO

DISEO DE UNA MINI CENTRAL DE ENERGIA HIDROELECTRICA EN LA

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA CIUDAD DE

CUENCA

AUTORES:

XAVIER LEONARDO CRIOLLO CABRERA

CRISTIAN LAUTARO QUEZADA DAMIAN

DIRECTOR:

ING. OMAR ALVAREZ

CUENCA- ECUADOR

2011


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Ingeniero Omar lvarez, director de tesis,

CERTIFICO

Que la presente tesis ha sido desarrollada bajo todos los reglamentos estipulados por

la Universidad Politcnica Salesiana y ha cumplido con todos los requerimientos

para su aprobacin.

Atentamente.

_________________

Ing. Omar lvarez

DIRECTOR DE TESIS


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DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD

Los conceptos desarrollados, anlisis realizados y las conclusiones del presente

trabajo, son de exclusiva responsabilidad de los autores

Cuenca junio de 2011

___________ ______________

Xavier Criollo Cristian Quezada


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DEDICATORIA Y AGRADECIM IENTO

Este trabajo va dedicado a todas las personas que han pasado por esta etapa de mivida, algunas estn todava a mi lado, muchas han tomado caminos diferentes pero

han aportado en esta etapa de mi vida, que llega a su fin con este trabajo.

Gracias a todos por aportar con su granito de arena para la consecucin de esta

meta y el inicio de un nuevo reto.

A Dios que sin su presencia no tendramos nada.

Un reconocimiento especial a mis padres que siempre han sido el apoyo

incondicional y el ejemplo de trabajo y esfuerzo.

A mis hermanos que luchan a diario con la vida y son un ejemplo de superacin a

todos gracias por ser como son y estar a mi lado, sigan con la lucha sin rendirse.

A mi esposa que ha llegado a mi vida para ser el complemento de mis metas y planes

futuros, gracias.

A mi hijo Sebitas que con su inocencia y alegra ha llegado a ponerle alegra a mis

das y una motivacin extra para luchar cada da.

Al Ing. Omar lvarez que ha sido una gua para la consecucin de este trabajo y

durante los aos acadmicos en la carrera universitaria que siga en su labor

docente con esa pasin y dedicacin.

Al Ing. Galo Durazno jefe de la PTAR por su invaluable aporte para la consecucinde este trabajo.

Xavier


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DEDICATORIA Y AGRADECIM IENTO

Agradezco en primer lugar a Dios por darme salud y sabidura para permitirme

cumplir este sueo de terminar con xito la carrera Universitaria.

A mis padres Segundo y Teresa por brindarme con su esfuerzo la oportunidad de

ingresar en la Universidad, buscando darme un mejor futuro.

A mis hermanos Alex y Klever que a la distancia supieron aconsejarme y apoyarme

para lograr mi objetivo.

A mi esposa Paola por el apoyo incondicional, adems de ser mi compaa y por

brindarme la fuerza necesaria para poder levantarme de los traspis que coloca el

destino.

A mi hijo Mathias por ser la inspiracin necesaria para la culminacin de esteproyecto, y un motivo ms de esfuerzo y perseverancia.

Cristian


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DISEO DE UNA MINICENTRAL DE ENERGA

HIDROELCTRICA EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE

AGUAS RESIDUALES DE LA CIUDAD DE CUENCA

ANTECEDENTES E IMPORTANCIA

En la actualidad el uso de energa obtenida a base de la combustin de hidrocarburos

est generando grandes problemas al medio ambiente debido a las emisiones de

gases de efecto invernadero, y los efectos que esto genera en el clima, es por esto de

la necesidad de buscar y reemplazar la energa basada en la combustin de

hidrocarburos por energas renovables que sean amigables con el medioambiente una

de las alternativas que tenemos es la energa elctrica obtenida a partir de la energa

cintica del agua comnmente conocida como energa hidroelctrica.

Adems de buscar nuevas fuentes de energa tambin hay que optimizar el uso de los

recursos disponibles, es por esto que el al disear una mini central de energa

elctrica para la PTAR se pretende optimizar la infraestructura de la planta ya que

las condiciones fsicas nos permite generar energa elctrica.

La mini central tendr como objetivo generar parte de la energa utilizada para el

funcionamiento de la planta as como del aprovechamiento de la infraestructura

instalada en la planta.

Una de las ventajas que presenta la planta de tratamiento de aguas residuales es que

gran parte de la infraestructura con la que cuenta la planta es la misma que se

necesita para la implementacin de una mini central lo cual reducira los costos y

aumenta la factibilidad del proyecto.

Planteamiento del problema.

En poca de estiaje en nuestro pas se generan graves inconvenientes por la falta de

energa elctrica es cuando se recurre a la generacin mediante termoelctricas que

usan principalmente hidrocarburos como fuente de energa primaria, para evitar el

uso de energa elctrica de las termoelctricas se estn planteando un sin nmero de

proyectos para la implementacin de mini centrales a lo largo de la geografa

nacional pero por la falta de financiamiento muchos de estos han quedado en eso


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proyectos al realizar esta tesis pretendemos demostrar que si reutilizamos las

instalaciones de tratamiento de agua es posible viabilizar los proyectos de mini

centrales debido a la reduccin de costos por la construccin.

DETERMINACIN DE OBJETIVOS

Objetivos generales.

Disear una mini central hidroelctrica en la PTAR.Objetivos especficos.

Obtener los parmetros necesarios para la construccinde una mini central de energa hidroelctrica en la planta

de tratamiento de aguas residuales.

Realizar un anlisis tcnico econmico de laconstruccin de una mini central hidroelctrica en la

planta de tratamiento de aguas residuales.

Plantear el uso eficiente de la energa generada en lamini central de energa hidroelctrica en la planta de

tratamiento de aguas residuales.

JUSTIFICACIN Y APLICACIN

Las fuentes de energa no renovables y la mala utilizacin de la energa, est

generando cambios climticos y degenerando el medio ambiente, por eso es

necesario buscar fuentes de energa renovables como la energa hidroelctrica ya que

es un recurso sumamente abundante en nuestro pas.

Partiendo de que toda actividad que realizan los seres humanos tenemos, que la

generacin hidroelctrica genera impactos en el medio ambiente ya conocidos, el uso

del agua para las actividades diarias de los seres humanos tambin generan

contaminacin en el agua, para el tratamiento de esta agua se ha construido una

planta de tratamiento en la ciudad de Cuenca, la misma que es transportada por una

red de interceptores y ductos hacia la planta ubicada en el sector de UCUBAMBA.

Este caudal de agua que se quiere aprovechar para generar energa hidroelctrica ya


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que la mayor parte de la infraestructura que se tiene en la planta es la que se necesita

para la instalacin de mini centrales hidroelctricas.

Las mini centrales como toda actividad generan un impacto el medio ambiente, pero

en este caso la mini central ser instalada en un ecosistema que ya esta modificado y

se aprovechara la energa que este puede producir.


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INDICE

CAPITULO1. GENERACINDEENERGAELCTRICA................................................................ 231.1 INTRODUCCIN.......................................................................................................................... 231.2 ASPECTOSGENERALES.................................................................................................................. 241.2.1 Fuentesrenovables....................................................................................................... 241.2.2 Fuentesnorenovables.................................................................................................. 241.3 TIPOSDECENTRALESDEGENERACINDEENERGAELCTRICA.............................................................. 251.4 CLASIFICACINDELASCENTRALESDEENERGAELCTRICA................................................................... 251.4.1 Porlapotenciagenerada............................................................................................. 251.4.2 Porlaenergaprimariaqueutilizan............................................................................. 251.5 ENERGADELAGUA..................................................................................................................... 271.5.1 Energapotencial.......................................................................................................... 271.5.2 Energacintica............................................................................................................ 271.6 PRINCIPIO DEBERNOULLI............................................................................................................. 281.6.1 Circulacin delaguaenconductoscerrados............................................................... 291.7 MINICENTRALESHIDROELCTRICAS................................................................................................ 301.7.1 Definicindeminicentralhidroelctrica:..................................................................... 301.7.2 AntecedenteshistricosdelasminicentralesenelEcuador.......................................301.7.3 Situacinactualdelasminicentralesenelecuador....................................................311.8 CLASIFICACINDELASMINICENTRALESPORLAPOTENCIA................................................................... 321.9 CLASIFICACINDELASMINICENTRALESPORLAPRESA........................................................................ 331.9.1 Centralesdeaguafluyente........................................................................................... 331.9.2 Centralesapiedepresa............................................................................................... 341.10 ELEMENTOSDEUNAMINICENTRALHIDROELCTRICA.......................................................................... 351.11 OBRACIVIL................................................................................................................................ 351.11.1 Obrasdecaptacin....................................................................................................... 351.11.2 Bocatomas.................................................................................................................... 361.11.3 Presadederivacin...................................................................................................... 361.11.4 Canalesdeconduccin................................................................................................. 361.11.5 Aliviadero...................................................................................................................... 361.11.6 Desarenadores.............................................................................................................. 371.11.7 Tanquedepresin........................................................................................................ 371.11.8 Tuberadepresin........................................................................................................ 371.11.9 Casademaquinas........................................................................................................ 381.11.10 rganodecierredelaturbina..................................................................................... 38


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1.12 EQUIPOSAUXILIARES............................................................................................................. 381.13 TURBINAS.................................................................................................................................. 391.13.1 Clasificacindelasturbinas......................................................................................... 391.14 PROBLEMASCONLASTURBINAS..................................................................................................... 421.15 GENERADORES........................................................................................................................... 421.15.1 Generadoressncronos................................................................................................. 431.15.2 Generadorasncrono.................................................................................................... 441.16 ELEMENTOSDEREGULACIN......................................................................................................... 441.17 TRANSFORMADORES.................................................................................................................... 451.17.1 Dimensionamientodeltransformador......................................................................... 481.18 CELDASYCUADROSELCTRICOS..................................................................................................... 491.19 LNEAELCTRICADEINTERCONEXIN.............................................................................................. 491.20 SISTEMASCADADECONTROLPARAMINICENTRALESHIDROELCTRICAS................................................50CAPITULO2. DISEOYAPLICACINDEMINICENTRALES........................................................ 512.1 INTRODUCCIN.......................................................................................................................... 512.2 ASPECTOSGENERALES.................................................................................................................. 512.3 ANLISISDEPREFACTIBILIDAD....................................................................................................... 512.3.1 Inventario..................................................................................................................... 512.3.2 Reconocimiento............................................................................................................ 522.3.3 Prefactibilidad............................................................................................................. 522.4 REQUERIMIENTOSNECESARIOSPARALAINSTALACINDEUNAMINICENTRAL..........................................522.4.1 Caudaldeagua............................................................................................................. 522.4.2 Saltogeodsico............................................................................................................. 522.5 CRITERIOSTERICOSPARAELDISEODEUNAMINICENTRAL............................................................... 532.5.1 Alturasdesaltoneto.................................................................................................... 532.5.2 Calculodelaalturaaprovechable................................................................................ 532.5.3 CadaNeta.................................................................................................................... 542.6 MTODOSPARADETERMINARLOSSALTOSGEODSICOS...................................................................... 542.6.1 Mtododelnivel conmanguera.................................................................................. 542.6.2 Mtododelniveldecarpintero:................................................................................... 552.6.3 MtododelClinmetro:................................................................................................ 552.6.4 MtododelBarmetro:................................................................................................ 562.6.5 MtododelProfundmetro:.......................................................................................... 562.6.6 MtododelGPS:........................................................................................................... 572.7 CALCULODELCAUDAL.................................................................................................................. 582.7.1 Prdidasdecarga......................................................................................................... 60


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2.7.2 Prdidasdecargaenductosrectilneos....................................................................... 602.7.3 Expresionesprcticasparaelclculo........................................................................... 612.7.4 Prdidasdecargalocalizadas...................................................................................... 612.7.5 Calculodecaudaldediseocuandoexisteinformacin..............................................622.8 CALCULOHIDRULICO.................................................................................................................. 632.8.1 PotencialHidroelctrico TericoBruto(P.H.T.B.)......................................................... 632.8.2 Calculodelaenerga.................................................................................................... 652.8.3 Factordeutilizacinydemanda................................................................................... 662.9 DIMENSIONAMIENTODECOMPONENTES......................................................................................... 662.10 TURBINAS.................................................................................................................................. 662.10.1 Criteriosparalaeleccindeltipodeturbina................................................................ 662.10.2 Resumenycaudalesalosquetrabajanlasturbinas....................................................672.11 CALCULODELOSDIFERENTESTIPOSDETURBINA................................................................................ 682.11.1 CalculoparaloscomponentesdeturbinasPelton:...................................................... 682.11.2 CalculoparaturbinastipoFrancis,Kaplan,hliceturgo..............................................702.12 CRITERIOSPARALAELECCINDELGENERADOR.................................................................................. 732.12.1 Clculoydimensionamientodel generador................................................................ 742.13 CRITERIOSDEELECCINDELTRANSFORMADOR................................................................................. 762.13.1 Dimensionamientodelosconductoresdelared.......................................................... 762.14 CLASESDECORTOCIRCUITOSPRODUCIDOSENLASREDESELCTRICAS....................................................792.15 CALCULODEPROTECCIONES.......................................................................................................... 812.15.1 Procedimientodeeleccindeunelementodeproteccin...........................................822.15.2 Condicionesparalaeleccin delaINdelfusible:........................................................ 822.15.3 Condicindeproteccinfrenteasobrecargas:(Sisepuedendar)...............................822.15.4 Condicindelaeleccindecorte................................................................................. 832.15.5 CondicindeproteccinfrenteacortocircuitosI:........................................................ 842.15.6 CondicindeproteccinfrenteacortocircuitosII:....................................................... 842.15.7 CondicindeproteccinfrenteacortocircuitosIII:......................................................852.15.8 SeccionadorestipoFusible:.......................................................................................... 862.16 SISTEMASDECONTROLDELASREDESELCTRICAS;ELEMENTOSDECONTROLYPROTECCIN.......................892.16.1 SistemaESCADA........................................................................................................... 90CAPITULO3. APLICACINDELCLCULOALASCONDICIONESFSICAS DELAPLANTADETRATAMIENTODEAGUASRESIDUALES........................................................................................ 923.1 INTRODUCCIN.......................................................................................................................... 923.2 DISEODELAMINICENTRALPARALAPTAR.................................................................................... 923.3 ESTUDIODEPREFACTIBILIDADPTAR.............................................................................................. 92


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3.3.1 Inventario..................................................................................................................... 923.3.2 ObjetivosprincipalesdelaPTAR.................................................................................. 933.3.3 Caractersticasgeneralesdelaplanta.......................................................................... 933.3.4 Interceptores................................................................................................................ 943.3.5 Cajndellegada........................................................................................................... 943.3.6 Cribasmecnicas autolimpiantes............................................................................... 953.3.7 Desarenadores.............................................................................................................. 973.3.8 Lagunasaereadas......................................................................................................... 983.3.9 Lagunasfacultativas..................................................................................................... 993.3.10 Lagunasdemaduracin............................................................................................. 1003.4 RECONOCIMIENTO.................................................................................................................... 1013.4.1 Determinacindelasalturas...................................................................................... 1013.4.2 Caudaldeingresoalaplanta..................................................................................... 1033.4.3 Anlisisdelcomportamientodeloscaudalesdeingresoalaplanta.........................1073.4.4 Determinacindelcaudaldediseo.......................................................................... 1073.4.5 LevantamientodecargaselctricasdelaPTAR.........................................................1093.5 PREFACTIBILIDAD..................................................................................................................... 1113.6 DISEODELAMINICENTRALAINSTALARENLAPTAR...................................................................... 1113.6.1 Dimensionamientodeloscomponentesdelaminicentral........................................1113.6.2 Obrasdecaptacinycanalesdeconduccin.............................................................1123.6.3 Aliviadero.................................................................................................................... 1123.6.4 Limpiarejasdelaminicentral.................................................................................... 1133.6.5 Desarenadordelaminicentral.................................................................................. 1133.6.6 Tanquedepresin...................................................................................................... 1143.6.7 Tuberadepresin...................................................................................................... 1143.6.8 Casademaquinas...................................................................................................... 1153.6.9 rganosdecierredecaudal....................................................................................... 1153.6.10 Equiposauxiliares....................................................................................................... 1163.6.11 EleccindeltipodeturbinaainstalarenlaPTAR......................................................1173.7 ANLISISDELTIPODETURBINAAINSTALARENLAPTAR................................................................... 1183.7.1 Comparacindelrendimientodelasturbinascondiferentesnivelesdecaudal........1183.7.2 Eleccindelaturbina................................................................................................. 1203.7.3 Calculoreferencialdelascaractersticasdelaturbina..............................................1203.8 ESQUEMADEINSTALACINDELASMINITURBINASENLAPTAR.........................................................1223.9 ELECCINDELGENERADOR......................................................................................................... 1233.9.1 Designacindelgeneradoradecuado........................................................................ 1233.9.2

Numero

de

polos

del

generador

.................................................................................

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3.9.3 Voltajedelosgeneradores......................................................................................... 1253.9.4 Caractersticasdelosgeneradoresainstalarseenlaplanta.....................................1263.9.5 Sistemasderegulacinycontrolparageneradores..................................................1263.9.6 AutomatizacindelaMiniCentraldelaPTAR...........................................................1263.9.7 Eleccindeltransformador........................................................................................ 1273.9.8 Anlisisdelusoquesepodradaralaenergageneradaenesteproyecto...............1283.10 LNEASDETRASMISINDELAMINICENTRAL................................................................................... 1293.10.1 Calculodelsistemadetransmisindelaminicentral................................................1293.11 REDESPROYECTADAS................................................................................................................. 1303.11.1 Seccionamientoyproteccionesparalostransformadoreselevadoresdetensin.....130CAPITULO4. CLCULOSECONMICOSPARALOSRESULTADOSTCNICOSDELAMINICENTRALDELAPTAR. 1314.1 INTRODUCCIN........................................................................................................................ 1314.2 ASPECTOSGENERALES................................................................................................................ 1314.3 ANLISISDELOSESCENARIOSECONMICOSDELAMINICENTRAL........................................................1314.4 FACTORESYVARIABLESCONSIDERASPARAELANLISISYCLCULOECONMICODELAMINICENTRAL.........1314.5 PRIMERESCENARIO:VALORESREFERENCIALESESTABLECIDOSPORELCONELEC...................................1324.5.1 IngresosquesepercibiraconlageneracindelaminicentralsegnelvalordeventadelKWHestablecidoporelCONELEC................................................................................................. 1324.5.2 CostosdelageneracindeenergasegnlosvaloressugeridosporelCONELEC.....1334.5.3 UtilidadnetadelageneracinconlosvaloresdelCONELEC.....................................1334.5.4 Costosdeinstalacindelaminicentral..................................................................... 1344.5.5 AnlisisderentabilidaddelaminicentralconlosvaloresdelCONELEC....................1344.6 SEGUNDOESCENARIO:ANLISISECONMICOCONLOSVALORESDEPROYECTOSSIMILARESYCONLOSCOSTOSDEENERGAQUELAPTARCANCELAPORCONCEPTODEENERGA.......................................................................... 1354.6.1 IngresoscalculadosenbasealcostodeKWHparalaPTAR.......................................1354.6.2 Costodelageneracin............................................................................................... 1364.6.3 Utilidadgenerada....................................................................................................... 1364.6.4 AnlisisdelarentabilidadconlosvaloresdelaPTARyEMPMAPS...........................1374.7 VALORESAGREGADOSDELAGENERACINELCTRICA....................................................................... 137CAPITULO5. CONCLUSIONESYRECOMENDACIONES........................................................... 1395.1 CONCLUSIONES........................................................................................................................ 1395.2 RECOMENDACIONES.................................................................................................................. 141CAPITULO6. BIBLIOGRAFAYREFERENCIAS......................................................................... 142


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Listado de Figuras.

Figura1.1 Esquema tpico de un aprovechamiento hidroelctrico

Figura1.2 Esquema de una central de agua fluyente

Figura1.3 Esquema de una central de pie de presa

Figura1.4 Esquema de una mini central

Figura1.5 Imagen de un rodete de una turbina Pelton

Figura1.6 Imagen de rodete Michel Banki

Figura 1.7Imagen de rodete Francis

Figura 1.8 Imagen de rodete axial

Figura 1.9 Imagen del estator y del rotor de generador sncrono.

Figura1.10 Imagen de un generador asncrono

Figura1.11 Vlvula de control

Figura1.12Transformador de trasmisin

Figuras1.13 Bobinado de transformador monofsico

Figura1.14 Bobinado de un transformador trifsico

Figura 1.15Red elctrica

Figura 1.16Sistema ESCADA.

Figura2.1 Mtodo de nivel con manguera

Figura 2.2 Mtodo de nivel de carpintero

Figura 2.3 Mtodo de clinmetro

Figura 2.4 Grafico del mtodo deGPS


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Figura 2.5 Esquema energa potencial de agua

Figura 2.6 Curva caracterstica turbina Pelton

Figura 2.7 Diagrama de cuchara Pelton

Figura 2.8 Diagramas rodete de turbina axial

Figura 2.9 Curvas para dimensionar los componentes de las turbinas axiales

Figura 2.10 Esquema de impedancias de sistema elctrico

Figura 2.11Esquema de clases de corto circuito trifsicos.

Figura 2.12Tira fusible

Figura 2.13Fusible Cuchilla

Figura 2.14Curva deFuncionamiento Fusible.

Figura 2.15Pararrayo.

Figura 2.16Esquema del sistema de comunicacin de la mini central.

Figura 3.1 Imagen satelital de la PTAR

Figura 3.2 Imagen del cajn de llegada

Figura 3.3 Imagen de Cribas Auto-limpiantes instaladas en la PTAR

Figura 3.4 Imagen de los Desarenadores instalados en la PTAR

Figura 3.5 Imgenes lagunas aeradas de la PTAR

Figura 3.6 Imagen de la laguna facultativa.

Figura 3.7 Imagen de la laguna de maduracin.

Figura 3.8 Imagen del sensor de caudal.

Figura 3.9 Mtodo del nivel aplicado para determinar las alturas en la PTAR.


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Figura 3.10Esquema de distribucin de las lagunas de la PTAR.

Figura 3.11 Imagen sensor de caudal.

Figura 3.12 Grfica de caudal promedio, Media aritmtica,lmite superior e inferiordela desviacin estndar.

Figura 3.13 Curva de los Caudales promedio mensual interanual de ingreso a la

planta.

Figura 3.14 Curva de los Caudales de ingreso mensual a la planta ao seco 2009

Figura 3.15 Curva de los Caudales de ingresomensual a la planta ao lluvioso ao

2000.

Figura 3.16 Imagen de bypass del cajn de llegada.

Figura 3.17 Imagen del cajn de llegada

Figura 3.18 Imagen de las Cribas Auto limpiantes.

Figura 3.19 Imagen de los desarenadores instalados en la PTAR.

Figura 3.20 Imagen de los tanques de presin.

Figura 3.21 Imagen de la tubera de presin.

Figura 3.22 Imagen de la casa de maquinas.

Figura 3.23 Compuertas de cierre de caudal hacia las lneas de tratamiento.

Figura 3.24Imagen de cierre de caudal hacia los desarenadores.

Figura 3.25 Imagen de control de ingreso de caudal.

Figura 3.26 Imagen de Analizador de Oxigeno.

Figura 3.27 Esquema de funcionamiento del sistema de comunicacin de la PTAR

Figura 3.28 Curva relacin entre altura y caudal de los diferentes tipos de turbinas.


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Figura 3.29 Curva comparativa del rendimiento de las turbinas a diferentes niveles

de caudal de ingreso.

Figura 3.30Curva de rendimiento de la turbina Michel Banki a diferentes niveles de

caudal de ingreso.

Figura 3.31Esquema de las turbinas a instalar en la planta.

Figura 3.32 Representacin grafica de las caractersticas de las variables de control

de la mini central.


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Listado de Ecuaciones.

Ecuacin 1.1 Ecuacin para calcular el trabajo

Ecuacin 1.2 Clculo de la energa cintica de un fluido.

Ecuacin 1.3 Ecuacin de Bernoulli

Ecuacin 1.4: Clculo de la energa contenida en un ducto cerrado

Ecuacin 2.1Calculo mtodo del profundimetro.

Ecuacin 2.2 Ecuacin clculo del caudal.

Ecuacin 2.3 Ecuacin de Bernoulli.



Ecuacin 2.6Formula de manning

Ecuacin 2.7 Calculo de perdidas localizadas

Ecuacin 2.8Calculo de prdidas en ductos rectilneos

Ecuacion2.9Ecuacin de Bazin

Ecuacion2.10Prdidas de carga localizada

Ecuacin 2.11Ecuacin del clculo de la presin

Ecuacin 2.12Calculo de la potencia terica de una central hidroelctrica

Ecuacin2.13Clculo de la energa

Ecuacin 2.14Calculo de la potencia media

Ecuacin 2.15Calculo de la potencia media

Ecuacin 2.16Calculo del factor de utilizacin


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Ecuacin 2.17Calculo de las potencias aparente reactiva y real

Ecuacin 2.18Calculo de factor de carga

Ecuacin 2.19Calculo del factor de demanda

Ecuacin 2.20Calculo de factor de diversidad

Ecuacin 2.21Calculo de factor de simultaneidad

Ecuacin 2.22Clculo de la intensidad de corriente de cortocircuito

Ecuacin 2.23 Clculo de la impedancia de cortocircuito

Ecuacin 2.24Calculo de impedancia del secundario del transformador

Ecuacin 2.25Clculo de la intensidad mxima de cortocircuito

Ecuacin 2.26 Ecuacin para la eleccin del fusible.


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ndice de tablas.

Tabla1.1 Clasificacin de las centrales hidroelctricas segn su potencia

Tabla1.2 Clasificacin de PCH segn la potencia instalada.

Tabla1.3 Clasificacin de las PCH segn su cada

Tabla1.4 clasificacin de las PCH segn su potencia instalada.

Tabla 2.1 Altura de trabajo de las turbinas

Tabla 2.2 Coeficiente de singularidad

Tabla 2.3 Caudales a los que trabajan las turbinas

Tabla 2.4 Formulas para el clculo de las dimensiones de rodete turbina pelton

Tabla 2.5 Formulas para el clculo de las dimensiones de rodete turbinas axiales

Tabla 2.6 Tabla de impedancias de los componentes de un sistema elctrico

Tabla2.7Tabla de coeficientes de fusin de fusibles tipo cuchilla

Tabla 2.8valores para escoger el amperaje del fusible

Tabla 3.1 Tabla de inventario nmero de lagunas capacidad de almacenamiento.

Tabla3.2Reconocimiento de lugares con potencial para instalacin de mini turbinas

Tabla 3.3 Alturas y caudal promedio entre lagunas de la PTAR

Tabla 3.4Caudales promedio mensual de ingreso a la PTAR 1999-2010

Tabla 3.5Valores estadsticos de los datos de caudales en l/seg

Tabla3.6Tabla de potencias con el caudal mensual mnimo de ingreso la PTAR

Tabla 3.7Calculo de las potencias tericas con el caudal mensual promedio ms la

desviacin estndar.


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Tabla3.8Clculo de las potencias tericas con el caudal de ingreso mensual

promedio de ingreso a la PTAR

Tabla 3.9Levantamiento de carga instalada y proyectada en la PTAR

Tabla 3.10Tabla de las potencias instaladas y diversificadas de la planta de

tratamiento

Tabla 3.11 Tabla de potencias tericas de las mini turbinas que se podran instalar en

la planta.

Tabla 3.12Porcentajes del caudal promedio de ingreso a la PTAR

Tabla 3.13Tablas con las caractersticas generales de las mini turbinas a instalar en

la PTAR

Tabla 3.14Tabla comparativa de las caractersticas del generador

Tabla 3.15Tabla de potencias comerciales de los generadores.

Tabla 3.16Tabla de los nmeros de polos de los generadores a instalarse en la planta

Tabla 3.17Tabla con las caractersticas de los generadores instalados en la PTAR

Tabla 3.18Tabla con las potencias diversificadas de la planta de tratamiento

Tabla 3.19Tabla de los transformadores alimentados con la energa de la mini

central

Tabla 3.20 Tabla con el clculo de las cadas de tensin existente en el sistema

elctrico instalado en la PTAR

Tabla 3.21Transformadores elevadores de tensin

Tabla 4.1Rubros producidos por la energa generada en la mini central de la PTAR

Tabla 4.2 Costos de la generacin de energa en la PTAR segn valores del

CONELEC.


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22

Tabla 4.3Utilidad neta generada por la mini central de la PTAR

Tabla4.4Costos de la instalacin de la mini central en la PTAR

Tabla 4.5Valores del VAN y el TIR de acuerdo a los valores del CONELEC

Tabla 4.6Costos de generacin de energa en la PTAR segn valores de pago de la

PTAR

Tabla 4.7Costo de la generacin de la mini central

Tabla 4.8 Valores de la utilidad neta anual que dejara la generacin de la mini

central con los valores de pago de la PTAR y considerando los costos de generacin

de la EMPMAPS

Tabla 4.9indicadores de rentabilidad de la mini central segn los costos de energa

de la PTAR y los costos de generacin del proyecto de EMPMAPS.

Tabla 5.1 Tabla con las cantidad de energa potencial terica con los diferentes

caudales de la planta


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CAPITULO1.GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA1.1 Introduccin

La energa elctrica tiene una alta incidencia en las actividades diarias de los sereshumanos debido a algunas ventajas tales como:

Facilidad de empleo. Las reducidas emisiones que produce su consumo La facilidad de transporte a grandes distancias. Que se puede obtener a partir de varias fuentes de

energa primaria

El desarrollo de bateras eficientes la hace transportableen cantidades aceptables para aplicaciones en los

automviles.

Energa renovable dependiendo de la energa primariaque se utilice para generarla

Es por estas ventajas que la energa elctrica se ha convertido en indispensable para

el desarrollo de las actividades diarias de los seres humanos ya que sin energaelctrica no tendramos la posibilidad de desarrollar actividades como: trabajo,

comunicacin, transporte etc.

Como una consecuencia a la alta dependencia de la energa elctrica para los seres

humanos hay una constante bsqueda de nuevas fuentes de energa primaria para

convertirla en energa elctrica, en la actualidad la bsqueda de fuentes de energa

primaria est tomando nuevas variables y condiciones fundamentales para considerar

estas fuentes como viables, unos de los aspectos importantes es la sustentabilidad de

las fuentes es decir el impacto ambiental y la durabilidad de la fuente de energa,

tomando en consideracin estos aspectos se ha determinado la viabilidad de

pequeos proyectos de generacin elctrica en base a energas primarias renovables

que se encuentran en la naturaleza, a continuacin se va a realizar una breve

descripcin de las formas de obtener energa elctrica a partir de fuentes de energa

primaria convencionales.


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1.2 Aspectos generalesLa energa elctrica no se la puede encontrar en la naturaleza, en la naturaleza se

encuentran diferentes tipos de energas primarias que se las pueden convertir en

energa elctrica entre los tipos de energa que se encuentran en la naturaleza son:

energa trmica mecnica elctrica luminosa etc.

Las fuentes de energa primaria se la pueden clasificar en dos tipos como lo son:

fuentes renovables fuentes no renovables

1.2.1Fuentes renovablesSon todas aquellas fuentes de energa que se pueden regenerar despus de su

utilizacin ya sea de manera natural o por la accin de agentes externos

implementados por los seres humanos entre las principales fuentes de energa

renovable que encontramos en la naturaleza estn las energas directamente

relacionadas con el sol como lo son:

Energa elica Energa cintica del agua Energa luminosa Energa termo solar

Estas fuentes de energa estn en constante regeneracin en forma natural ya que se

regeneran con los rayos del sol.

Otras de las fuentes de energa consideradas renovables es la energa que se puedeobtener de la combustin de vegetacin pero esta fuente de energa no es muy

eficiente ya que el ciclo de regeneracin es ms alto y las emisiones de la combustin

se vuelven altamente peligrosos ya que contribuyen con el efecto invernadero y por

ende el cambio climtico.

1.2.2Fuentes no renovablesEntre las fuentes de energa no renovables estn principalmente la energa que se


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obtiene de la combustin de hidrocarburos, esta es la principal fuente de energa que

se utiliza en las industrias en el transporte tanto de carga como el de personas, esta es

una fuente de energa que no es renovable ya que los hidrocarburos no hay como

generarlos con algn proceso conocido por el hombre.

1.3 Tipos de centrales de generacin de energa elctricaLa energa elctrica es obtenida de la transformacin de energas primarias que se

encuentran en la naturaleza, a lo largo de la historia la tecnologa ha ido

evolucionando para encontrar diversas formas de transformar las energas en energa

elctrica, y con la evolucin de la tecnologa se han podido ir potenciando nuevas

formas de obtener energa elctrica.

1.4 Clasificacin de las centrales de energa elctricaLa clasificacin de las centrales de generacin de energa elctrica se la puede hacer

considerando varios aspectos como el la capacidad de potencia generada, el tipo de

energa primaria que utiliza para la generacin entre otras clasificaciones.

1.4.1Por la potencia generadaPor la cantidad de potencia generada tenemos la siguiente clasificacin segn la

OLADE Organizacin latinoamericana de energa.

POTENCIA EN (KW) TIPO

0-50 MICRO CENTRAL

50-500 MINI CENTRAL

500-5000 PEQUEA CENTRAL

Tabla1.1 Clasificacin de las centrales hidroelctricas segn su potencia

Fuente: ORTIZ Flores Ramiro, Pequeas centrales hidroelctricas MCGRAW HILL, 2001

1.4.2Por la energa primaria que utilizanHay diversas maneras de obtener energa elctrica a partir de las fuentes de energa

que existe en el medioambiente entre otras a continuacin describiremos brevemente


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las ms importantes tenemos:

Centrales termoelctricas Centrales elicas Centrales fotoelctricas Centrales nucleares Centrales termo solares Centrales hidroelctricas

A continuacin vamos a detallar brevemente el funcionamiento de estas centrales.

1.4.2.1 Centrales termoelctricasSon las centrales que utilizan la energa trmica obtenida de la combustin de

hidrocarburos principalmente, para la generacin de vapor que se lo introduce en una

turbina que va conectada a un generador de energa elctrica.

1.4.2.2 Centrales elicasEstas centrales estn diseadas para aprovechar la energa del viento, mediante

hlices que transforman la energa cintica del viento en energa mecnica que encombinacin con un generador transforman la energa del viento en energa elctrica.

1.4.2.3 Centrales fotoelctricasEstas centrales transforman la energa lumnica del sol en energa elctrica mediante

el uso de paneles solares, estas centrales tienen la particularidad de no utilizar el

generador en el proceso de la obtencin de la energa elctrica.

1.4.2.4 Centrales nuclearesLas centrales nucleares utilizan la energa trmica que genera la divisin o fusin de

tomos, esta energa a su vez es transformada en vapor que luego se utiliza

paramover una turbina para generar energa elctrica.


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1.4.2.5 Centrales termo solaresEl principio de funcionamiento de la central termo solar es obtener energa trmica

de los rayos del sol para obtener vapor de agua y utilizarla en turbinas de la misma

manera que una central trmica.

1.4.2.6 Centrales hidroelctricasLas centrales hidroelctricas son aquellas que transforman la energa cintica del

agua en energa mecnica que se utiliza en un generador para obtener la energa

elctrica. Las centrales hidroelctricas son las ms utilizadas para la obtencin de

energa elctrica debido a su alta eficiencia.

1.5 Energa del agua1.5.1Energa potencialLa energa potencial de un cuerpo, es la capacidad de un sistema para realizar un

trabajo en funcin a su posicin o configuracin en relacin a un plano de referencia

1.5.2Energa cinticaLa energa cintica de un cuerpo es la energa que proviene del movimiento de dicho

cuerpo, est definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa

dada desde el reposo hasta la velocidad que posee.

En mecnica clsica se puede calcular por la ecuacin del trabajo de la segunda ley

de newton:

12Ecuacin 1.1 Ecuacin para calcular el trabajo

De aqu tenemos que la energa cintica se incrementa con el cuadro de la rapidez, es

una medida dependiente del sistema de referencia.

En la hidrodinmica la energa cintica de un fluido depende de la densidad del

fluido entonces tenemos que:


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12 Ecuacin 1.2 Clculo de la energa cintica de un fluido

Dnde: pes la densidad del fluido Ves la velocidad

1.6 Principio de BernoulliEl estudio del movimiento de los fluidos en un sistema mecnico se denominada

como hidrodinmica por el fsico suizo Daniel Bernoulli quien segn sus

investigaciones determino que hay una relacin entre la presin, la altura y la

velocidad de un fluido ideal (sin viscosidad y sin rozamiento) en circulacin y en un

conducto cerrado, la energa del fluido es constante a lo largo del recorrido y

depende de tres componentes:

Cintica energa que posee debido al movimiento delfluido.

Potencial gravitacional es la energa que posee debido ala ubicacin geomtrica del fluido.

Energa del fluido es la energa que est relacionada conla presin que posee el fluido.

La siguiente ecuacin es la ecuacin de Bernoulli en la que se relaciona los tres

componentes:

2

Ecuacin 1.3 Ecuacin de Bernoulli

Dnde:

Vvelocidad gaceleracin de la gravedad zaltura en la direccin de la gravedad desde un punto de

referencia


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Ppresin de la lnea de corriente pdensidad del fluido de anlisis

Adems debemos de tomar en cuenta que se considera:

Viscosidad del fluido igual a cero. Caudal constante. Fluido incompresible con p constante.

1.6.1Circulacin del agua en conductos cerradosLa frmula que vamos a utilizar para calcular la energa contenida en un fluido

incomprensible que circula en el interior de un tubo viene dada por la ecuacin deBernoulli:

Ecuacin 1.4: Clculo de la energa contenida en un ducto cerrado

Dnde: Hes la energa total hes la elevacin de la lnea de corriente sobre un plano

de referencia

Pes la presin es el peso especfico del fluido Vla velocidad de la lnea de corriente g la aceleracin de la gravedad

La energa total en el punto 1 es pues la suma de la energa potencial en el punto h1,

la energa de presin y la energa cintica

.

Un aprovechamiento hidrulico necesita dos componentes bsicos que son un

determinado caudal y un determinado salto geodsico o desnivel en el cauce del flujo

de caudal, se entiende por caudal a una masa de agua que fluye a travs de un cauce

natural o construido por la mano del hombre al igual que el desnivel puede ser


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natural o por construccin del hombre.

1.7 Mini centrales Hidroelctricas.

1.7.1Definicin de mini central hidroelctrica:

Las centrales hidroelctricas pueden definirse como instalaciones mediante las que se

consigue aprovechar la energa contenida en una masa de agua situada a una cierta

altura, transformndola en energa elctrica. Esto se logra conduciendo el agua desde

el nivel en el que se encuentra, hasta un nivel inferior en el que se sitan una o varias

turbinas hidrulicas que son accionadas por el agua y que a su vez hacen girar uno o

varios generadores, produciendo energa elctrica.

En la siguiente figura se puede apreciar el esquema de transformacin de energa

hidrulica en energa elctrica.

Figura 1.1 Esquema tpico de un aprovechamiento hidroelctrico

Fuente: http://www.hidropaute.com/espanol/itecnica/produccion.htm

1.7.2Antecedentes histricos de las mini centrales en el EcuadorEn el Ecuador gracias a su situacin geogrfica posee un gran potencial de recursos

hdricos, el Ecuador posee dos grandes vertientes hdricas la del pacifico y la de la

amazonia y estos a su vez estn forman 31 sistemas hdricos (24 en la vertiente del

pacifico y 7 en la amazonia) 79 cuencas hidrogrficas y 137 sub cuencas, incluidas

las islas galpagos con recursos hdricos internos renovables de 432 Km3/ao en el


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territorio ecuatoriano no se recibe recursos hdricos que provengan de los pases

vecinos como Colombia o Per.

El potencial de recursos subterrneos utilizables en la vertiente del pacifico est en

10,4 Km3/ao. Para la vertiente amaznica no existen estudios al respecto.

Estos recursos no han sido aprovechados en la medida que necesita el pas, uno de

los usos que se le puede dar es la transformacin del potencial en energa

hidroelctrica; la generacin de este tipo de energa podra ayudar a cubrir el gran

dficit de energa que posee el pas y que hasta ahora es cubierto mediante la compra

de energa elctrica a pases vecinos como Per y Colombia, o de lo contrario es

obtenida a base de generadores trmicos los cuales utilizan combustibles fsiles para

su produccin, la produccin de energa a partir de combustibles fsiles tiene

consecuencias negativas para la economa del pas como para el medio ambiente,

debido a las emisiones que la combustin de los combustibles fsiles generan.

Unas de las pioneras en de las mini centrales en el ecuador es la planta de eco luz

ubicada en el sector de Papallacta que empez a operar en el en el ao de 1965 la

primera de sus dos turbinas, la segunda turbina fue instalada 22 aos despus juntas

generan 6,2 Mw de potencia.

Como uno de las referencias ms recientes que tenemos es la micro central instalada

en el campamento mirador de la compaa minera ECSA la micro central es de 19

KW a 1050 rpm de velocidad sncrona, la micro central provee de energa elctrica al

campamento ubicado en la provincia de Zamora Chinchipe, cabe recalcar que la gran

mayora de los componentes de la micro central fueron construidos en el ecuador por

tcnicos ecuatorianos, el generador y algunos componentes electrnicos fueron

importados la turbina es una turbina tipo Pelton.

1.7.3Situacin actual de las mini centrales en el ecuador.Actualmente nuestro pas se encuentra afrontando un proceso de cambio en cuanto a

la creacin de proyectos hidroelctricos tratando as de aprovechar los grandes

recursos hdricos que posee el pas, los proyectos que se encuentra en construccin o

en estudio segn la pgina oficial del Ministerio de Electricidad y Energa Renovable


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MEER son:

En cuanto a la creacin de mini centrales hidroelctricas estas se encuentran en

proyecto conjunto con algunas Universidades del Pas se espera realizar el estudio de

por lo menos 14 pequeas centrales en distintos lugares del Ecuador.

Adems se encuentran en estudio de factibilidad 5 aprovechamientos hidrogrficos

con potencia de hasta 4MW, para que estas califiquen como proyectos factibles

tienen que cumplir con los siguientes requisitos:

Que pueda electrificar una cantidad de al menos 100clientes en la proximidad del aprovechamiento.

Que su ubicacin permita un mejoramiento ostensibledel primario al que se conecta.

Que pueda vender excedentes. Seleccionar los mejores aprovechamientos para ejecutar

el estudio de factibilidad

Datos obtenidos de la pgina oficial del MER.

1.8 Clasificacin de las mini centrales por la potencia.La organizacin Latinoamericana de energa OALDE clasifica las PCH de acuerdo a

la potencia instalada como se muestra en el siguiente cuadro:

Potencia (KW) Tipo

0-50 Micro central

50-500 Mini central

500-5000 Pequea central

Tabla1.2 Clasificacin de PCH segn la potencia instalada.

Fuente: ORTIZ Flores, Ramiro Pequeas centrales hidroelctricas,McGraw Hill, 2001)


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Clasificacin de las mini centrales por la cada:

Baja (m) Media(m) Alta(m)

Micro H50

Mini H100

Pequea H130

Tabla1.3 Clasificacin de las PCH segn su cada


ElISA clasifica las centrales hidroelctricas de acuerdo a su potencia instalada de lasiguiente forma:

TIPOS POTENCIA (MW)

Micro centrales menores a 0.1

Mini centrales de 0.1 a 1

Pequea central hidroelctrica de 1 a 10

Tabla1.4 clasificacin de las PCH segn su potencia instalada.


1.9 Clasificacin de las mini centrales por la presaExisten dos tipos bsicos de mini centrales hidroelctricas:

Centrales de agua fluyente Centrales a pie de presa

1.9.1Centrales de agua fluyenteEn estas centrales, el agua a turbinar se capta del cauce del ro por medio de una obra


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de toma, y una vez turbinada, se devuelve al ro en un punto distinto al de captacin.

Figura1.2 esquema de una central de agua fluyente

Fuente: EVE mini hidrulica en el pas Vasco, Bilbao, Noviembre 1995

Los elementos principales de estas instalaciones son:

1. Azud2. Toma de agua3. Canal de derivacin4. Cmara de carga5. Tubera forzada6. Edificio con su equipamiento electromecnico7. Canal de salida.

1.9.2Centrales a pie de presaSon centrales con regulacin. El agua a turbinar se almacena mediante una presa. La

siguiente figura presenta una central a pie de presa.


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Figura1.3 Esquema de una central de pie de presa


Los elementos principales de estas centrales son:

Presa Toma de agua Tubera forzada Edificio con su equipamiento electromecnico Canal de salida

1.10 Elementos de una mini central hidroelctricaUna mini central est constituida por diversos componentes y equipos que pueden

clasificarse en tres grandes grupos:

Obra civil Equipamiento electromecnico Equipos auxiliares.

1.11 Obra civil1.11.1 Obras de captacinLas obras de captacin del agua son las que estn relacionadas con la desviacin del

caudal de agua hacia la mini central, adems de asegurar la confiabilidad del servicio

y de la calidad del agua.


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Cuando se hace referencia a la calidad de agua se hace referencia a que las obras

captacin de agua deben tener obras de filtracin de slidos que pueden afectar la

vida til de la turbina y todos las partes electromecnicas de la central de generacin

Bocatomas Presa de derivacin Canales de conduccin Aliviadero Desarenadores Tanque de presin Tubera de presin Casa de maquinas

1.11.2 BocatomasEs la infraestructura ubicada en la entrada del canal de captacin su misin ser el de

tomar una parte del caudal de una corriente de agua, aparte de la captacin de agua

otro de los objetivos de la bocatoma ser el proveer de un caudal con la menor

cantidad de sedimentos para minimizar los costos de operacin y mantenimiento.

1.11.3 Presa de derivacinTiene por objetivo captar una parte del caudal del rio para facilitar su ingreso a la

bocatoma para su conduccin hacia la mini central

1.11.4 Canales de conduccinSon los encargados de transportar el caudal hacia la ubicacin de la casa de mquinas

donde estarn ubicadas las turbinas.

Depende del material del que sea construido el canal depende la velocidad de

conduccin del agua hacia la turbina.

1.11.5 Aliviadero

El objetivo principal de construir una aliviadero es la de brindar seguridad a


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la mini central, este debe ir ubicado en un sitio estratgico ya que este est destinado

a verter el exceso de caudal cuando este propase la capacidad del canal, as

evitaremos la posibilidad de desbordes del canal cuando varen las condiciones

normales de funcionamiento del canal

1.11.6 DesarenadoresLa funcin que cumple el desarenador dentro de la mini central es fundamental ya

que este tiene como misin eliminar las partculas de material solido que se

encuentran suspendidas en el caudal de agua mediante la disminucin de la velocidad

del caudal a 0,5 m/s

1.11.7 Tanque de presinEs la estructura destinada a combinar un sistema de baja presin con un sistema de

alta presin adems est destinado a

Mantener un nivel de reserva de carga para cambiosbruscos de carga

Evitar la llegada a la turbina de elementos slidos Sirve como un control de caudal en condiciones

atmosfricas adversas

Evitar la entrada de aire en la tubera1.11.8 Tubera de presinLa tubera de presin es la ltima etapa del transporte del caudal hacia la turbina

criterios para la eleccin de la turbina de presin

Considerar los materiales para las uniones Comparar los costos de mantenimiento y vida til de los

diferentes materiales

Considerar los dimetros de tubera disponibles en elmercado


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1.11.9 Casa de maquinasEs la estructura que aloja los equipos electromecnicos que transforman la energa

cintica del agua en energa elctrica entre los equipos que estn ubicados en la casa

de maquinas

Empalme entre la tubera de presin y vlvula de entrada Vlvula dedicada a controlar el flujo de agua hacia la

turbina

Turbina es la que transforma la energa cintica del aguaen energa mecnica

Generador transforma la energa mecnica en energaelctrica

Subestacin eleva el voltaje de salida del generador parafacilitar el transporte de la energa hacia los centros de

consumo

Canal de salida es la estructura que conduce las aguasturbinadas hacia el rio o canal de riego

1.11.10 rgano de cierre de la turbinaSon vlvulas o compuertas que aslan la turbina en caso de parada y permiten el

vaciado de la tubera y las labores de reparacin y mantenimiento.

1.12 EQUIPOS AUXILIARESEstos equipos son tambin necesarios para el correcto funcionamiento de una mini

central. Entre los ms comunes estn:

Compuertas Reja y mquina limpiar rejas Gra para movimiento de mquinas Sistema contra-incendios Alumbrado Caudalmetro


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La siguiente figura muestra los elementos principales de una mini central

hidroelctrica.

Figura1.4 Esquema de una mini central


1.13 TurbinasSon mquinas capaces de transformar la energa hidrulica en energa mecnica en

su eje de salida. Su acoplamiento mediante un eje a un generador permite,

finalmente, la generacin de energa elctrica.

Las turbinas hidrulicas utilizadas en mini centrales hidroelctricas, deben ser

seleccionadas de modo que podamos obtener el mejor rendimiento con las

caractersticas de caudal y salto especfico para cada caso, adems debe cumplir las

siguientes caractersticas facilidad de operacin y mantencin las turbinas que se

utilizan en las mini centrales tienen el mismo principio de funcionamiento que las

turbinas que funcionan en las grandes centrales hidroelctricas a continuacin se

detallaran algunos conceptos para la correcta eleccin de la turbina para una mini

central.

1.13.1 Clasificacin de las turbinasDe acuerdo al cambio de presin en el rodete o al grado de reaccin:

Turbinas de accinson aquellas en las que el fluido nosufre un cambio de presin al paso por el rodete.


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Turbinas de reaccin son las que el fluido sufre uncambio de presin en el rodete.

Por el diseo de rodete:

Kaplan Hlice Pelton Francis Axial

Las caractersticas de estos tipos de turbina sern detalladas a continuacin

1.13.1.1Turbinas Pelton

Figura1.5 Imagen de un rodete de una turbina Pelton

Fuente: http://www4.ujaen.es/~dfernan/turbina_pelton.htm

Esta turbina est dentro de las turbinas de accin, de flujo tangencial, con un rodete

formado por varias cucharetas y un sistema de toberas que son las encargadas de

inyectar la presin a la tobera.El rango de aplicacin de las turbinas Pelton es

paravelocidades de funcionamiento bajas, adems est diseada para trabajar con

saltos grandes y bajos caudales su eficiencia es del 85%.


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1.13.1.2Turbinas Michel Banki

Figura1.6 Imagen de rodete Michel Banki

Fuente:http://www.villageearth.org/pages/Projects/AT/ATblog/index.html

Tambin estn dentro de las turbinas de accin, de flujo transversal, la entrada radial

y flujo transversal, en este caso el rodete est formado por alabes curvos la inyeccin

de caudal se lo hace con un inyector, tienen una eficiencia en el orden del 80% y

generan hasta 1000kW, debido a su forma son fciles de construir reduciendo as su

costo en relacin a otro tipo de turbinas.

1.13.1.3Turbinas Francis

Figura 1.7 Imagen de rodete Francis

Fuente: http://inciarco.info/comunidades/showthread.php?t=796

Esta turbina fue desarrollada para trabajas con velocidades especificas medianas

trabajando con saltos medianos y caudales de las mismas caractersticas su eficiencia

oscila entre 83% y 90% su fabricacin es compleja subiendo su costo de fabricacin


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1.13.1.4Turbina axial

Figura 1.8 Imagen de rodete axial

Fuente: http://www.appuntidigitali.it/9424/energia-dallacqua-la-turbina-idraulica-kaplan/

Esta es una turbina de reaccin de flujo axial la velocidad especifica de

funcionamiento es bastante alta puede trabajar con saltos bajos y caudales grandes

alcanza hasta el 90% de eficiencia su construccin requiere herramienta

especializada

1.14 Problemas con las turbinasLos principales inconvenientes que tienen las turbinas son la cavitacin y el

embalamiento.

Cavitacin.-cuando un lquido es sometido a una presin mayor a las de su presin

de evaporizacin, el lquido se evapora formando pequeas burbujas de vapor que al

estallar producen graves daos en los rodetes.

Embalamiento.-Cuando se produce por una variacin drstica de la carga en el ejede la turbina, la turbina toma una velocidad que puede daar los componentes de la

turbina llegando hasta destruirlas, esta velocidad depende de las condiciones de cada

instalacin.

1.15 GeneradoresEstas mquinas rotativas que transforman la energa mecnica de rotacin que

suministran las turbinas en energa elctrica, en sus bornes o terminales.


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Pueden ser de dos tipos: sncronos y asncronos.

1.15.1 Generadores sncronos

Figura 1.9 Imagen del estator y del rotor de un generador sncrono

Fuente: http://www.remitec.mex.tl/341945_Productos.html

El generador sncrono funciona en base a un campo magntico generado en el rotor

por la accin de una fuente de corriente continua externa, y al girar el rotor se

produce un campo rotatorio en las bobinas del estator, producindose a su vez la

energa elctrica en los bornes de estas bobinas.

Los generadores sncronos se dividen en:

Por tipo de excitacino Auto excitados

o Excitacin externa Por tipo rotor

o Polos salienteso

Polos lisos


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Los generadores sncronos suelen emplearse en centrales con potencia superior a

2.000 kVA conectadas a la red, o en centrales de pequea potencia que funcionan en

isla (sin estar conectadas a la red).

1.15.2 Generador asncrono

Figura 1.10 Imagen de un generador asncrono

Fuente: http://www.taringa.net/posts/info/6222991/Motores-asincronos-trifasicos.html

El generador asncrono, por el contrario, debe estar siempre conectado a la red

elctrica, de la que toma la energa necesaria para producir su magnetizacin. Es

usual emplearlos en centrales de menos de 500 kVA, siempre acopladas a la red.

Para centrales con potencia aparente entre 500 y 2.000 kVA la eleccin de un

generador sncrono o asncrono, depende de la valoracin econmica, del sistema de

funcionamiento y de los condicionantes tcnicos exigidos por la compaa elctrica.

1.16 Elementos de regulacin

Son aquellos que regulan los componentes mviles de las turbinas y pueden ser dedos tipos:

Hidrulicos y electrnicos. Su misin es conseguir adecuar la turbina a las

circunstancias existentes en cada momento (caudal turbinable, demanda elctrica....)

para que pueda trabajar con el mejor rendimiento energtico posible en cada

circunstancia.


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Figura 1.11 Vlvula de control

Fuente:http://www.petrovex.com.ve/tienda/index.php?act=viewProd&pro

ductId=1911.17 Transformadores

Figura 1.12 Transformador de transmisin

Fuente: http://www.vasile.com.ar/es/transf_potencia.html

El transformador es uno de los elementos ms importantes para el equipamiento

elctrico de la mini central, dependiendo del trabajo del generador este podr serbaja/media; o media/alta tensin.

El objetivo de del trasformador es aumentar la tensin a nivel de la red comercial con

el fin de transmitir dicha energa con las mnimas perdidas posibles.

Segn las caractersticas de uso, constructivas, por la funcin que realizan, por la

clase de servicio a que se destinan, etc.; se podra clasificar los transformadores

como se detallan a continuacin:


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Por su operacin:

Esto hace referencia a la tensin o la potencia que tenga que ser conectado en la red.

Transformadores de distribucin: Son los que manejanpotencias que van desde 5 hasta 500 Kva, ya sean estos

monofsicos o trifsicos.

Transformadores de potencia: Son aquellos quemanejan tensiones superiores a los 500 Kva.

Por el nmero de fases:

Monofsicos:Pueden ser transformadores de potencia ode distribucin los cuales cuentan con solo un devanado

tanto de baja como de alta, los mismos se encuentran

conectados a una fase y un neutro o tierra.

Figura1.13 Bobinado de transformador monofsico

Fuente: Autores

Trifsicos: Pueden ser tanto de distribucin como depotencia constan de tres bobinados tanto en alta como en

baja y los mismo pueden o no se conectados a tierra o

neutro como (dependiendo de la conexin o Y).


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Figura 1.14 Bobinado de un transformador trifsico

Fuente: Autores

Por su utilizacin:De acuerdo a su uso dentro del sistema elctrico.

Transformadores para generador: Son los transformadores de potencia que se

encuentran colocados a la salida del generador.

Transformadores de subestacin:Son aquellos que se conectan al final de la lnea

de transmisin para reducir la tensin a nivel de sub transmisin.

Transformadores de Distribucin:Este tipo de transformadores reducen la tensin

de las redes de transmisin en tensiones de distribucin o de consumo general 110 o220v.

Transformadores especiales:Se pueden considerar dentro de esta categora:

Transformadores Reguladores de Energa. Transformadores para arco Elctrico. Transformadores para fuentes de corriente continua,etc.

Transformadores de Instrumentos:Dentro de esta categora se podrn encontrar

todos aquellos que se utilizan para los distintos tipos de mediciones ya sean de

potencial o de corriente, as como aquellos utilizados para los distintos tipos de

control y de seguridad.

En funcin de las condiciones de Servicio:

Para instalacin a la intemperie.


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Para Instalacin en interiores.En funcin del lugar de instalacin:

Para Instalacin en poste. Tipo subestacin Tipo pedestal. Tipo bveda o sumergible.

En Funcin del tipo de Refrigeracin:

Tipo Sumergidos en aceite.o Tipo OAo Tipo OA/FAo Tipo OA/FA/OFAo Tipo OFAo Tipo OWo Tipo OFW

Tipo refrigeracin en Seco.

Normalmente se instalan en el interior del edificio o de la central, minimizando la

obra civil asociada a la subestacin. Presenta el inconveniente de tener una baja

evacuacin del calor por la tanto las prdidas debidas a este factor son alta por lo que

se recomienda usar sistemas de refrigeracin alternas mediante la circulacin de aire

forzado.

1.17.1 Dimensionamiento del transformadorPara calcular los datos del transformador se tienen que tomar en consideracin todas

las cargas que se encuentren conectados en la red, por lo que el clculo de la

capacidad de un transformador para alimentar a un cierto nmero y tipo de cargas se

debe hacer sobre ciertos conceptos, de manera tal que el transformador no opere con

sobredimensionado (poca carga), o bien se sature rpidamente por insuficiencia.

La Capacidad nominal de un transformador est definida como los Kva que su

devanado secundario debe ser capaz de operar por un cierto tiempo, en condiciones


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de tensin y frecuencia de diseo (valores nominales), sin que a una temperatura

ambiente promedio de 30C y mxima de 40 C, la temperatura promedio en su

devanado exceda a 65C.

Se deben considerar, si las cargas por alimentar son monofsicas o trifsicas como

tambin si estas son resistivas, capacitivas o inductivas.

1.18 Celdas y cuadros elctricosSuelen instalarse generalmente en el interior de la mini central y estn constituidos

por diversos componentes elctricos de regulacin, control, proteccin y medida.

1.19

Lnea elctrica de interconexin

Figura 1.15 Red elctrica

Fuente: Encarta

Se denomina red elctrica al conjunto de medios formado por generadores elctricos,

transformadores, lneas de transmisin y lneas de distribucin utilizados para

llevarla energa elctrica a los elementos de carga.

Con este fin se usan diferentes tensiones para limitar la cada de tensin en las lneas.

Usualmente las ms altas tensiones se usan en distancias ms largas y mayores

potencias. Uno de los componentes elctricos ms importantes es el transformador

mediante el cual se obtiene bajar la tensin a un nivel de voltaje de tipo residencial.

El sistema de suministro elctrico siempre comprende el conjunto de medios y


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elementos tiles para la generacin, el transporte y la distribucin de la energa

elctrica. Este conjunto est dotado de mecanismos de control, seguridad y

proteccin.

Constituye un sistema integrado que adems de disponer de sistemas de control

distribuido, est regulado por un sistema de control centralizado que garantiza una

explotacin racional de los recursos de generacin y una calidad de servicio acorde

con la demanda de los usuarios, compensando las posibles incidencias y fallas

producidas.

1.20 Sistema SCADA de control para mini centrales hidroelctricasUn sistema SCADA (supervisory control and data acquisition) que es una

combinacin de adquisicin de datos y telemetra un sistema SCADA puede

funcionar a unos cuantos metros como a miles de kilmetros.

Este sistema proporciona los datos de funcionamiento en tiempo real de los aparatos

que se estn monitoreando, esto permite realizar la supervisin de la mini central.

Figura 1.16Sistema SCADA

Fuente: Autores


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CAPITULO2.DISEO Y APLICACIN DE MINICENTRALES.

2.1 Introduccin

Con los estudios y el desarrollo de las turbinas y componentes relacionados con lascentrales hidroelctricas el diseo de centrales hidroelctricas ha ido evolucionando

en la forma, pero en el fondo el principio de funcionamiento no ha cambiado desde

los primeros molinos impulsados por los ros utilizados en la antigedad, en realidad

en la actualidad el principio es el mismo pero ahora se utilizan nuevos elementos

para mejorar el control y la eficiencia de las centrales.

2.2 Aspectos generales

En el diseo de mini centrales hidroelctricas uno de los aspectos de anlisis son las

condiciones fsicas del lugar en donde se quiere implementar la mini central, ya que

de estas dependern la potencia y la confiabilidad del servicio que se pueda generar,

uno de los inconvenientes que se ha encontrado en la implementacin de mini

centrales de generacin es el aspecto econmico ya que como sabemos el costo de

inversin inicial en los proyectos hidroelctricos es bastante alto pero a largo plazo

son los ms rentables adems del financiamiento el tiempo de construccin y puesta

en marcha es una de las dificultades que este tipo de proyectos ha encontrado en el

camino.

2.3 Anlisis de pre factibilidad

Para determinar si existen las condiciones naturales para la instalacin de la mini

central, es necesario realizar un anlisis de pre factibilidad del proyecto este

consistir en:

Inventario.

Reconocimiento.

Pre factibilidad.

2.3.1Inventario

En la parte del inventario se realiza una inspeccin del rea en el cual se quiere


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implementar la mini central para determinar el potencial terico o bruto del rea y

analizar la posibilidad de implementar una mini central, adems de determinar el

potencial tambin hay que determinar las necesidades energticas del rea de

incidencia de la mini central.

2.3.2Reconocimiento.

Una vez reconocido un sitio con un potencial terico que nos puede servir para la

instalacin de una mini central debemos realizar un reconocimiento con ms

profundidad del sitio para determinar caudales saltos geodsicos lugares de

emplazamiento y analizar la parte fsica del sector.

2.3.3Pre factibilidad

Una vez que hemos seleccionado el sitio del emplazamiento para la mini central en el

estudio de pre factibilidad se debe realizar un dimensionamiento de las obras civiles

de los aparatos de la mini central para determinar en mejor medida la viabilidad del

proyecto.

2.4 Requerimientos necesarios para la instalacin de una mini central

Bsicamente los requerimientos de una mini central no son diferentes a los de una

central de generacin a gran escala los requerimientos son:

Caudal de agua

Salto geodsico

2.4.1Caudal de agua

Se necesita un caudal de agua constante para garantizar la continuidad de

funcionamiento de la mini central, este caudal va a ser l nos va a proveer de la

energa primaria para el movimiento de la turbina de la planta de generacin

hidroelctrica.

2.4.2Salto geodsico

El salto geodsico es el desnivel en el cauce del caudal de agua, en el salto


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geodsico se produce la energa cintica del agua, energa que es aprovechada por las

turbinas para generar el movimiento en el generador

2.5 Criterios tericos para el diseo de una mini central

2.5.1Alturas de salto neto

Es la distancia vertical medida entre la lmina de agua de la toma de agua y la del

canal de descarga, de acuerdo con esto y a las caractersticas de cada turbina se ha

obtenido la siguiente tabla:

Tipo de turbina Horquillas de salto en metros

Kaplan y hlice 2


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2.5.3Cada Neta

La cada neta o altura neta es la altura del salto aprovechable por la turbina, es igual

al salto til menos las prdidas de carga que tiene lugar a lo largo de la conduccin

forzada, reducciones, vlvulas, etc.

La cada neta del aprovechamiento puede determinarse con mtodos sencillos como:

Mtodo del nivel con manguera

Mtodo del nivel de carpintero

Mtodo del Clinmetro

Mtodo del Barmetro

Mtodo del Profundmetro

Mtodo del GPS

2.6 Mtodos para determinar los saltos geodsicos

2.6.1Mtodo del nivel con manguera

En este mtodo se requiere una manguera y unas escalas; la altura Hx se determina

como la diferencia entre las 2 indicaciones de las escalas, en los puntos del nivel de

agua en la manguera; la altura total del aprovechamiento es la suma de estas

diferencias desde la casa de mquinas hasta el tanque de presin.

Figura 2.1 mtodo de nivel con manguera

Fuente: ORTIZ Flores Ramiro, Pequeas centrales hidroelectricas MC

GRAW HILL, 2001


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2.6.2Mtodo del nivel de carpintero:

Este mtodo es parecido al mtodo de la manguera, para este mtodo se requiere de

un nivel de carpintero, unas escalas, una regla o un hilo. Para determinar la Hx se

coloca las escalas en forma perpendicular y la regla de forma horizontal, luego el

nivel se ubica sobre la regla, la altura total del aprovechamiento se determinan en la

misma forma del procedimiento anterior.

Figura 2.2 Mtodo de nivel de carpintero

Fuente: ORTIZ Flores Ramiro, Pequeas centrales hidroelectricas MC

GRAW HILL, 2001

2.6.3Mtodo del Clinmetro:

Este mtodo resulta el ms sencillo de realizar pero requiere de algunos clculos

matemticos para determinar la altura entre los puntos 1 y 2 (fig.2.3) se requiere

conocer ciertos parmetros como son los valores de las escalas de apoyo, en este caso

H1 y H2, los ngulos 1 y 2 y la distancia Lx, que es la longitud entre los puntos 1 y

2, conocido estos datos se calcula la altura de la siguiente manera:

Se halla el promedio entre los ngulos.

A partir de la expresin trigonomtrica del seno y el

valor de Lx se encuentra la altura Hx.

La altura entre los puntos 1 y 2 es la diferencia entre (Hx

+ H2) y H1.

La altura total del aprovechamiento ser las sumas de las

alturas H12.


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Figura 2.3Mtodo del Clinmetro.

Fuente: ORTIZ Flores Ramiro, Pequeas centrales hidroelctricas MCGRAW HILL, 2001

2.6.4Mtodo del Barmetro:

En este mtodo la presin atmosfrica varia inversamente proporcional a la altura

sobre el nivel del mar, as en funcin de la presin en un determinado lugar se puede

determinar su altura; por tanto, si se conoce la diferencia de presin entres 2 puntos,

se pueden determinar la diferencia de niveles existentes.

Cuando se dispone de un solo altmetro se realiza de la siguiente manera:

Se aparta de un punto de altura conocida, se lee la altura en el altmetro y se anota la

hora en que se hizo la observacin y la temperatura que indica el termmetro. Luego

se lleva el instrumento a los otros puntos cuya cota se desea conocer y en cada uno

de ellos se anota la altura, la hora y la temperatura; se regresa inmediatamente al

punto de partida y de nuevo se hace la lectura del tiempo y la temperatura.

Los cambios en las condiciones atmosfricas hacen que la altura leda inicialmente

no concuerde con la lectura del altmetro luego de tomar los otros puntos. Se supone

que las condiciones atmosfricas varan gradualmente durante el lapso de tiempo

comprendida entre la altura inicial y la final.

2.6.5Mtodo del Profundmetro:

Es un mtodo sencillo que mide la presin de una columna de agua y toma su


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equivalente en metros. Requiere de un tubo plstico en el cual se encuentra una

columna de agua y al final del tubo se coloca un profundmetro, que indica la presin

ejercida por el agua en su equivalente en metros, de acuerdo con la siguiente

expresin:

H 9.8

Ecuacin 2.1Calculo mtodo del profundimetro

Dnde:

P= Es la lectura de la presin en Kpa.

H= Es la cada en metros.

2.6.6Mtodo del GPS:

En la actualidad el mtodo del GPS sera el ms adecuado para realizar las

mediciones necesarias, ya que este mtodo indica la posicin de una persona o lugar

mediante la triangulacin de los satlites.

Claro est que se necesitaran realizar varias mediciones para de ah sacar un valor

medio y as reducir el margen de error.

Figura 2.4 grafico del mtodo de GPS

Fuente: http://geofumadas.com/catastro-municipal-que-mtodo-conviene/


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2.7 Calculo del caudal

La dinmica de fluidos define al caudal como la cantidad de fluido que avanza en

una unidad de tiempo. Tambin es conocido como caudal volumtrico o ndice de

flujo fluido.

El clculo de caudal de agua viene expresado por la ecuacin de continuidad:

Ecuacin 2.2Ecuacin clculo del caudal

Donde es:

Q es el caudal (m3/s)

V es la velocidad (m/s)

S es la seccin de la tubera (m2)

Para que el fluido se traslade entre dos puntos dentro de una lnea de flujo, debe

existir una diferencia de energa entre los dos puntos, la diferencia de energa

representan las perdidas por rozamiento en la lnea de flujo, el rozamiento no es una

constante este depende de la estructura del material del que est compuesto la lnea

de flujo.

La rugosidad del conducto

La viscosidad del fluido

El rgimen de fu

diseño de central hidroelectrica

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central hidroelectrica

energia hidroelectrica

ejemplo de trabajo

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