67.23/37 – UBA – Ing- O. Jaimovich Capítulo 10 Vector hidráulico: Como vector energético se lo puede considerar de tipo concentrado, aunque no en el grado de un combustible por ejemplo; tiene asimismo la capacidad de ser almacenado sin necesidad de transformación alguna, lo cual ha permitido desarrollar grandes instalaciones destinadas a regular su disponibilidad, dado que la misma no es constante, sino que posee ciclos largos, de tipo estacional, con marcada influencia meteorológica. Este vector reconoce un uso en sostenido aumento desde la antigüedad, hasta hace un par de décadas, donde el ritmo de expansión de la capacidad instalada mostró una tendencia a detenerse. Dicha tendencia reconoce dos causas principales, a saber: Los costos de instalación crecieron en forma descontrolada, haciendo que la financiación de las obras de gran envergadura sea muy dificultosa. Los plazos de amortización resultaron sensiblemente más cortos de lo planeado originalmente porque las instalaciones no tuvieron la duración en estado operativo planeada. Juntamente con los inconvenientes en la conservación de las obras (más que los equipos), comenzaron a hacerse evidentes signos inequívocos de impacto ambiental negativo. Cuando se decidió atenuar parte de dicho impacto por vía de la adecuación de los proyectos de las obras civiles, los costos derivados de dichas medidas hicieron que los costos finales crecieran aún más, poniendo fuera de competitividad el costo del kWh generado frente a otras alternativas. En la actualidad se puede decir que prácticamente no se están instalando nuevos emprendimientos, sobre todo en ríos de llanura, limitándose los países o empresas poseedores u operadores de centrales hidroeléctricas a conservar las mismas en razonable estado operativo. Potencia de un sistema hidráulico: Dado un sistema como el siguiente Hb Donde Hb es el salto bruto entre los dos niveles, si se consideran las pérdidas que implican la cañería, válvulas si las hubiere, etc. englobadas en un valor Δh, se tiene que el salto neto resulta: H = Hb - Δh Capítulo 10 1 67.23/37 – UBA – Ing- O. Jaimovich En base a lo anterior, la energía potencial de un salto de agua se puede aprovechar mediante: El peso de una masa de agua que cae. La presión del agua. La velocidad del agua. La combinación de todo lo anterior. La potencia hidráulica disponible N, para un volumen de agua V que pesa G y cae desde una altura H, y que produce el trabajo W = G . H será: G×H γ ×V × H = γ ×Q × H t t Si lo que se utiliza es la presión, introducida en un cilindro de sección S y carrera L, producirá un trabajo W = p.S.L= p.V, entonces la potencia será N= = p ×V = p × Q si p = γ × H entonces t Si se usa la velocidad media , la energía cinética es N= E = G× U2 2g entonces N = resulta N = γ ×H× Q G ×U 2 γ ×V U 2 = × = γ × Q ×H t × 2g t 2g U2 2g O sea que cualquiera sea el medio utilizado (caída, presión, energía cinética), la potencia hidráulica disponible de un salto neto H es siempre la misma. pues por definición es H = Si ⎡ ⎤ [N] = ⎢ Kgm ⎥ ⎢⎣ seg ⎥⎦ en KW resulta N= 100 × Q × H ≅ 9,8 Q × H 102 Rendimiento de las máquinas hidráulicas: Se puede definir el rendimiento total como el cociente entre la potencia efectiva y la potencia disponible: N η= e N La potencia efectiva se calcula mediante la evaluación de las pérdidas: a)Pérdidas volumétricas: Son debidas a las fugas de agua a través de la máquina, es decir, es la parte de caudal que se pierde por juegos o huelgos entre las partes fijas y las partes móviles. La reducción de potencia es proporcional a dicha pérdida de caudal. En este caso se puede definir el rendimiento volumétrico como ηv = Q-q donde Q = caudal disponible; Q Capítulo 10 2 q = caudal de pérdidas y Q - q = caudal efectivo 67.23/37 – UBA – Ing- O. Jaimovich b)Pérdidas mecánicas: En este caso resultan de considerar los rozamientos entre las distintas partes de la máquina, especialmente entre partes móviles y partes fijas, y se obtiene del cociente entre la potencia efectiva utilizable y la potencia hidráulica calculada: ηm = Ne N e = N - Nm pero como es N donde es ηm = Nm = potencia de pérdida por rozamiento s, por lo que queda N - Nm N c) Rendimiento total: η T = ηV × η H × η M = Q-q Q × NH N disp × Ne N = Q-q × Q Ne γ (Q - q) × H ≅ Ne γ ×Q × H ⇒ ηT = Ne N Turbinas hidráulicas: a)Turbinas de acción: Son las llamadas turbinas de chorro, cuando el agua entra al rotor a presión atmosférica; en este caso toda la energía potencial del salto se transforma en energía cinética antes de entrar en el rotor; en él, dicha energía cinética se transforma en energía mecánica. b)Turbinas de reacción: Cuando el agua llega al rotor con presión hidrostática mayor que la atmosférica; es decir, entra con energía potencial de presión. Dentro del rotor la energía potencial de presión se transforma (reacciona) en energía cinética. En algunas turbinas esta transformación se realiza en el rotor (turbinas de derrame interno) y en otras se realiza exteriormente (turbinas tipo hélice). Las turbinas de acción son de admisión parcial, es decir, que el agua entra por uno o más puntos de la periferia del rotor, En las turbinas de reacción el agua ingresa en todo el contorno del rotor, es decir, son turbinas de admisión total. Esto se puede resumir: Admisión parcial Admisión total Inyección Reacción turbinas de acción Número específico de revoluciones: El número específico de revoluciones o número característico es la velocidad de giro con la cual una turbina produce una potencia unitaria (1 CV) a partir de un salto neto de 1 m., y se define N nS = n × H Capítulo 10 3 5 4 67.23/37 – UBA – Ing- O. Jaimovich Donde n es la velocidad de giro de la turbina, H el salto neto en metros y N la potencia disponible en CV En base a lo anterior se puede efectuar la siguiente clasificación de tipos de turbinas: Tipo Número específico de revoluciones 800 ≥ nS ≥ 500 400 ≥ nS ≥ 100 35 ≥ nS ≥ 20 Kaplan Francis Pelton Salto neto en metros H ≤ 80 500 ≥ H ≥ 80 2000 ≥ H ≥ 80 Se puede efectuar una clasificación primaria de estos conversores de acuerdo al siguiente criterio: Altura Caudal Tipo de máquina Utilización baja media elevada elevado grande bajo Kaplan Francis Pelton Ríos de llanura Ríos rápidos Ríos de montaña Asimismo, existen equipos adaptados para cursos pequeños de agua, con bajos requerimientos en cuanto a instalación, y que por su baja potencia solamente sirven a un solo usuario, es decir que no se utilizan para alimentar redes, que son las mini y las micro turbinas hidráulicas. Todas tienen en común su sencillez constructiva y su bajo costo, factor que juntamente con los bajos costos de instalación las hacen adaptables a pequeñas explotaciones rurales. Aunque la mayoría trabaja con pequeños saltos, existen modelos de tipo Pelton para cuando se disponen grandes saltos con pequeños caudales. Un esquema de la turbina Pelton es el siguiente: TURBINA TIPO PELTON El número de chorros puede variar de uno a cuatro, dependiendo de los caudales disponibles en cada caso. Capítulo 10 4 67.23/37 – UBA – Ing- O. Jaimovich En cuanto a las turbinas Francis, un esquema general podría ser como el siguiente: TURBINA TIPO FRANCIS Finalmente, las turbinas Kaplan tienen disposiciones como se indica en el siguiente esquema: TURBINA TIPO KAPLAN En este, como en todos los casos, la forma y las dimensiones son las que corresponden a cada caso en particular, dado que no existen dos instalaciones hidráulicas iguales. Capítulo 10 5