Aprovechamiento hidroelectrico, calculo de dimensiones de tuberias, apoyos y diametro economico en una central hidroelectrica Aprovechamiento hidroelectrico, calculo de dimensiones de tuberias, apoyos y diametro economico en una central hidroelectrica Aprovechamiento hidroelectrico, calculo de dimensiones de tuberias, apoyos y diametro economico en una central hidroelectrica Aprovechamiento hidroelectrico, calculo de dimensiones de tuberias, apoyos y diametro economico en una central hidroelectrica Aprovechamiento hidroelectrico, calculo de dimensiones de tuberias, apoyos y diametro economico en una central hidroelectrica Aprovechamiento hidroelectrico, calculo de dimensiones de tuberias, apoyos y diametro economico en una central hidroelectrica

1. GA”
APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA TUBERÍA, APOYOS, ANCLAJES Y
EL DIÁMETRO ECONÓMICO
“UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ”
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
ESCUELA PROFESIONAL INGENIERIA CIVIL
DICIEMBRE 2023
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO
Alumno:
 CARRION ANDAMAYO MANUEL VICTOR
Docente:
DR. EDWIN ERNESTO LOVÓN SÁNCHEZ

2. INTRODUCCIÓN
Una central hidroeléctrica es una infraestructura clave en la generación
de energía eléctrica, aprovechando la fuerza del agua para convertirla en
electricidad de manera eficiente y sostenible. Esta forma de generación
de energía ha desempeñado un papel crucial en la matriz energética
global, proporcionando una fuente renovable y limpia que contribuye
significativamente a la reducción de las emisiones de gases de efecto
invernadero.

3. OBJETIVOS
• Calcular el diámetro y espesor de la tubería de presión.
• Calcular las dimensiones de los apoyos y anclajes
• Calcular el diámetro económico de la tubería

4. 1. Tubería forzada
La tubería forzada es una conducción cerrada a cielo abierto que
transporta el agua a presión desde la cámara de carga hacia la turbina
hidráulica en la casa de máquinas

5. 1. Tubería forzada
Cálculo de las perdidas por fricción y diámetro de la tubería a presión
Para la tubería de presión se analiza la alternativa de PVC, por todas las
ventajas que estas poseen, para lo cual tentativamente asumimos un diámetro
de:
Dext=400m m
D =362mm
La rugosidad absoluta del PVC es k = 0.003mm
A continuación, se halla la relación:
Calculamos el número de Reynolds:

6. 1. Tubería forzada
Calculamos las perdidas por turbulencia en cada uno de los accesorios como se
muestra en la tabla:
De la siguiente ecuación se tiene la expresión que sirve para hallar las pérdidas
de presión en los accesorios, expresados en metros de columna de agua en la
tubería de presión:

7. 1. Tubería forzada
Las pérdidas de carga total están dadas por la ecuación:
Calculamos la perdida porcentual de caída debido a la fricción con la ecuación:

8. 1. Tubería forzada
Luego de encontrar el diámetro de la tubería se procede a calcular el espesor
de esta, para que pueda soportar las presiones máximas que se espera que
soporte la tubería.
La presión transitoria puede expresarse como caída de agua H, que se calcula
a continuación, ecuación:
Calculamos la caída total en la tubería cuando ocurren golpes de ariete,
ecuación:

9. 1. Tubería forzada
Las dimensiones de la tubería a usarse. Estos cálculos se resumen en la tabla
3.6 además en el Anexo XV se puede ver las características generales de la
tubería

10. 1. Tubería forzada
Cálculo del espesor de pared de la tubería a presión
Es necesario tomar en consideración para el diseño:
- Considerar la presión más alta que se espera que resista la tubería.
- Tener en cuenta los efectos corrosivos que adelgazan la pared de la tubería
con el tiempo.
- Considerar los cambios de espesor u ondulación ocurridos en su fabricación.
- El fenómeno de golpe de ariete consiste en una sobrepresión en la tubería
forzada cuando se cierra la válvula al extremo de esta, así mismo su magnitud
es mayor en cuanto menor sea el tiempo de cierre, para el presente ejemplo
se consideró un tiempo de cierre de 4seg.

11. 1. Tubería forzada
Cálculo del espesor de pared de la tubería a presión

12. 1. Tubería forzada
Cálculo del espesor de pared de la tubería a presión

13. 2. Apoyos y Anclajes
Los apoyos son aquellos elementos de cimentación ubicados entre dos
anclajes que cumplen la función de distribuir el peso de la tubería y del agua al
terreno considerando que la luz entre ellos no genere esfuerzos ni deflexiones
excesivas en la tubería. Cabe mencionar que trabajan como apoyos móviles en
la dirección del eje de la tubería.

14. 2. Apoyos y Anclajes
Como se puede apreciar en el gráfico, principalmente son cuatro las fuerzas
que actúan sobre el apoyo tales como el peso de la tubería y del agua 𝐺𝑎𝑡, la
fricción entre la tubería y el apoyo 𝐹𝑎, el peso del apoyo 𝐺𝑏 y la fricción entre
el apoyo y el terreno 𝐹𝑟. A manera de ejemplo se desarrollará el cálculo del
apoyo más esforzado, es decir aquel entre los anclajes 3 y 4, pues este tramo
posee el mayor ángulo de inclinación.
La longitud máxima entre apoyos 𝐿𝑠 se puede estimar de la siguiente manera:

15. 2. Apoyos y Anclajes
A continuación, se muestra las componentes de las fuerzas en X e Y, así como
sus respectivos momentos respecto a O:
En base a la tabla, la excentricidad de las cargas verticales 𝑒𝑥 y los esfuerzos
sobre el terreno 𝜎 son:

16. 2. Apoyos y Anclajes
Considerando que las dimensiones son: 𝐵 = 1.9 𝑚𝑚, 𝐶 = 3 𝑚𝑚, 𝐹 = 2.5 𝑚𝑚 y
𝐽= 3.43 𝑚𝑚, el peso del anclaje 𝐺𝐺𝑏𝑏 será de 25,829.8 Kgf. Además, bajo la
premisa que 𝑢𝑎 = 0.3 𝑚𝑚, 𝐷𝑗 =1.39 𝑚𝑚, 𝐿𝑗 = 0.125 𝑚𝑚, las fuerzas y
momentos serán los indicados en la siguiente tabla:
Fuerzas y momentos en el anclaje 4:

17. 2. Apoyos y Anclajes
La excentricidad 𝑒𝑥 resulta en 0.19 m, mientras que los esfuerzos 𝜎𝑚𝑖𝑛⁡
⁡
𝑦𝜎𝑚𝑎
𝑥 en 8,849.0 y 19,540.6 Kgf/m2, respectivamente. Además, al igual que en el
apoyo, se verifica que el anclaje cumple con las cuatro condiciones:

18. 3. Diámetro Económico de la Tubería
Este es un criterio técnico económico que permite calcular el diámetro de la
tubería y, por tanto, las pérdidas y el espesor, en base al análisis del costo total
para diversos diámetros, tal como se indicó líneas arriba, y el cual se efectuará
bajo la premisa de que la velocidad en la conducción a presión se encuentre
entre 4 a 6 m/s, es decir entre un diámetro interno de 1.10 m a 1.35 m para
cada tubería.
MATERIALES
Debido a razones de costo, facilidad
de instalación y topografía del terreno,
se tomará la instalación de la tubería
para la conducción de PVC por lo que
se debe tener en cuenta las propiedades
del material en cuestión, ya que la
construcción de un canal abierto
resultaría muy difícil y costosa por la
topografía del sector en estudio.

19. 3. Diámetro Económico de la Tubería
PÉRDIDAS
Existen dos tipos de pérdidas en tuberías, la producida por fricción del
material y aquella que se da por perturbaciones geométricas en la conducción,
es decir las locales. A continuación, se muestran los coeficientes de perdidas
locales:

20. 3. Diámetro Económico de la Tubería
PÉRDIDAS
Existen dos tipos de pérdidas en tuberías, la producida por fricción del
material y aquella que se da por perturbaciones geométricas en la conducción,
es decir las locales. A continuación, se muestran los coeficientes de perdidas
locales:
Las perdidas secundarias se obtienen de la siguiente ecuación:
ΔH=(16x0.242)*(0.017*((6/0.2996)+1.6)/2*g π 2*29964
ΔH=1.15m

21. 4. Conclusiones
• Un análisis detallado del flujo, que incluya la velocidad, la presión y
las pérdidas de energía, es necesario para diseñar una tubería
forzada que funcione de manera eficaz y cumpla con los requisitos
de rendimiento de la central.
• Un diámetro adecuado de la tubería forzada es crucial para
garantizar una eficiencia energética óptima en la central
hidroeléctrica. Un diámetro demasiado pequeño puede generar
pérdidas por fricción, mientras que un diámetro excesivamente
grande puede aumentar los costos de capital sin beneficios
significativos en términos de eficiencia.
• La selección del diámetro de la tubería forzada también implica un
equilibrio entre los costos de inversión y los costos de operación.
Un diámetro más grande puede aumentar los costos iniciales de
construcción, pero si esto se traduce en menores pérdidas de
energía a lo largo del tiempo, puede resultar en menores costos
operativos.

22. 5. Referencias Bibliográficas
• ANA. (2010). Criterios de Diseño de Obras Hidráulicas para la
Formulación de Proyectos Hidráulicos Multisectoriales y de
Afianzamiento Hídrico. Obtenido de Autoridad Nacional del Agua:
https://www.ana.gob.pe/normatividad/criterios-de-diseno-deobras-
hidraulicas-para-la-formulacion-de-proyectos-0
• Canchaya Cortez, C. R., & Chero Valencia, L. E. (2014). Estudio y
diseño a nivel preliminar de una pequeña central hidroeléctrica en el
distrito de Comas, provincia de concepción perteneciente al
departamento de Junín (Tesis de titulación). Lima, Perú: Universidad
Peruana de Ciencias Aplicadas.
• Huallaga Hydro. (2015). Estudio de aprovechamiento hídrico: Central
hidroeléctrica Huallaga I. Obtenido de Repositorio digital de recursos
hídricos de la Autoridad Nacional del Agua (ANA):
http://repositorio.ana.gob.pe/handle/20.500.12543/4276
• Sviatoslav, K. (1968). Diseño hidráulico. Quito: Editorial
Universitaria.