Diseño económico de conductos forzados con verificación computarizada de sobrepresiones y cambios de sección

Abstract

En el desarrollo de proyectos hidroeléctricos se presenta el problema de diseñar tuberías forzadas que conduzcan un determinado caudal de agua de la cámara de carga para alimentar una turbina o grupo de turbinas. El problema de determinar el diámetro de una tubería forzada no tiene una solución única, puesto que desde el punto de vista hidráulico hay infinidad de diámetros que permiten conducir un determinado caudal. La variación de las condiciones de flujo en la tubería produce variaciones de presiones y cambios de velocidad a lo largo de ella, conociéndose este fenómeno como Golpe de Ariete. El golpe de ariete se define como las ondas de presión producidas en conductos relativamente elásticos que conducen líquidos compresibles, cuando las condiciones de flujo son cambiadas de un estado inicial normal a otra condición diferente, debido a las maniobras de cierre o abertura de la válvula de control de flujo. Para soportar los aumentos excesivos y disminución de las presiones, las tuberías se diseñan con un espesor adecuado; asimismo para contrarrestar los efectos del golpe de ariete, y por ende proteger a la tubería, se utilizan dispositivos de control, tales como las chimeneas de equilibrio, válvulas de alivio, cámaras de aire y otros. Considerando que las sobrepresiones y depresiones, que ocurren en la tubería se presentan durante el período de flujo transitorio, pueden ser extremadamente peligrosas para la tubería, resulta necesario estimar con precisión las presiones transitorias que se producen en la tubería. Existen diferentes métodos de análisis del golpe de ariete, los cuales han ido evolucionando con el transcurrir de los años, descubriéndose nuevas técnicas y parámetros que definen este fenómeno; por lo que resulta interesante dar una breve mirada a dichos métodos, hasta llegar a los métodos computarizados que permite evaluar con mayor rapidez y precisión las variaciones de presión y cambios de velocidad en la tubería. Un diseño óptimo y adecuado nos permitirá obtener una tubería que trabaje eficientemente al menor costo posible, para ello es necesario considerar que la decisión sobre la elección de un diámetro económico se merece un estudio más profundo, siendo el objetivo primordial de esta tesis el de determinar en forma analítica el valor del diámetro económico más eficiente. El costo de la tubería forzada depende en forma directa de su diámetro y del espesor de sus paredes. Pero cuanto menor es el diámetro elegido, tanto mayor es la pérdida de carga y las pérdidas de potencia de la Central Hidroeléctrica a causa del rozamiento, esto implicaría incrementar el diámetro. Por otra parte, la tubería es tanto más económica cuanto más pequeña se construye. Una tubería forzada de forma de tronco de cono que se angosta aguas abajo sería más económica que una tubería con diámetro uniforme, para una misma pérdida de carga, pero por razones tecnológicas no sería factible. Es común diseñar tuberías forzadas con diámetro uniforme, pero se debe tomar en cuenta que se puede dividir la tubería en varios tramos, cada uno de ellos con diámetros uniformes y que éstos fueran disminuyendo en forma paulatina aguas abajo. Una buena elección de los materiales que componen la tubería forzada conducirá a un buen diseño de las tuberías forzadas, por lo que se hace un breve estudio del acero y se expone un breve resumen de las especificaciones técnicas de este material.