calculo dde chimenea

5/16/2018 calculo dde chimenea - slidepdf.com

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Diseiio de una chim enea de equilibrio

inclinada en el aprovecham iento

hidroelectrico del rio Cenza (O rense)

A L V A R O G A R c iA H E R N A N D E Z ( * ) Y D A N IE L C A S T R O F R E S N O ( O )

I

R E S U M E N Las chimeneas de equilibrio son uno de los elementos que mas encarecen los saltos hidroelectricos, son dificiles

de construir y si son aereas causan un gran impacto ambiental, Ell este articulo se describen las ventajas de las chimene-

as inclinadas frente otr as tipologias si exists topografia adecuada. Tambien se describe el disefio de una chimenea de equi-librio inclinada construida mediante tuberfa de poliester reforzado con fibra de vidrio. POl' ultimo se muestra un estudio

comparative de precios entre los materiales adecuados para eonstruir esta chimenea.

D E S IG N O F A N IN C L IN E D S U R G E T A N K IN T H E H Y D R O E L E C T R IC U S E O F T H E R IV E R C E N Z A (O R E N S E , S P A IN )

A B S T R A C T The surge tanks are one of the elements which more increase the costs of the hydropower plants, they aredifficult to construct and if aerial, then cause a great environmental impact. In this paper the advantages of an inclinedsurge tank are described in contrast to other typologies if an adequate topography exists. The design of an inclined surgetank is also described, built with reinforced polyester with fibber glass. Finally, a comparative study between the prices ofthe different materials appropriate to this kind of surge tanl?is show.

P%hra s c la ve : S aito h id ro ele cn ic o, C him e ne a in clin ad a, C am a ra d e e xp an si6 n, C am ara d e o lim e nto cio n, Oblurocion.

1 . A N T E C E D E N T E S Y E S T U D IO S P R E V IO S

El aprovechamiento hidroelectrico del rio Cenza fue conce-

dido POl' el Ministerio de Obras Publicas a Saltos del Sil,

SA elll de Marzo de 1955. El15 de marzo de 1960 se pre-

sen t6 este proyecto.

Se encuentra situado en el termino de Villarino de Conso,

en la provincia de Orense, al noroeste de la Peninsula Ibe-

rica.

El rio Cenza psrtenece a l conjunto del sistema Sil, inte-

grade por numerosos rios y afluentes con un gran aprove-

chamiento hidroelectrico. EI Cenza confiuye con el rio

Conso, afluente del rio Bibey y este a su vez del Sil,

EI entorno en el que se ubica la actual central hidroelec-

trica de Soutelo, se caracteriza por su caracter montafioso

y por la proximidad a diversos embalses como el de Bao,

cuya cola llega hasta las proximidades de la central. EI

embalse del Cenza situado a una mayor altitud hacia el

noroeste de la central y que pertenece al esquema hid roe-

lectrico de esta central y al embalse de las Portas situado

al suroeste de ella. Sus caracterlsticas son las que se mues-

tran en la tabla 1.

En base a los antecedentes expuestos se plantea otro tipo

de aprovechamiento hidroelectrico del Cenza. Como en el

uso actual este rio se aprovechan al maximo sus recurs os

(* ) Grupo de lnvesnqcclcn de Tecnologia de 10Ccnstrucclon.

Universidcd de Contobrio.

naturales, ya que se hace un bombeo desde media altura

para recoger las aportaciones naturales de la cuenca inter-

media, se pretende mejorar el uso del embalse superior au-

mentando el volumen de bombeo y de turbinacion con una

nueva instalacion. Se aprovechara la posicion relativamente

proxima de los embalses del Cenza y de Bao, y su impor-

tante diferencia de nivel, para disponer una central hidroe-

leetrica, cercana a la actual central de Soutelo. Con la situa-

cion del nuevo aprovechamiento se podra bombear no s610

desde Las Porras (que en la actualidad esta en funciona-

misnto, con el proyecto Camba-Conso) sino tambisn desde

Baa, con 1 0 que la capacidad de bombeo se incrsmentara

considerablemente al tiempo que tambien se incrementa el

posible consumo en turbinacion, Debido a esto, la chimeneade equilibrio actual se queda pequefia, siendo necesario am-

pliarla.

2 . C A L C U L O D E L A N U E V A C H IM E N E A D E E Q U IU B R IO

La tuberfa forzada de este salto hidroelectrico ha sido dise-

fiada de tal modo que los efectos del golpe de ariete sean

despreciables en el entronque can la galerfa en presi6n y

maximos en la valvula, con 1 0 que la chimenea de equilibrio

funcionara como un amortiguador hidraulieo, controlando

los efectos de la oscilacion en masa del agua,

El calculo hidraulico de la chimenea de equilibrio se 1'ea-

liza mediante el conocimiento de las oscilaciones de agua en

la misma. Estas son las que limitan sus dimensiones. Para

el calculo de las oseilaciones, se procedi6 numerieamente perdiferen cias fini tas.

I ng en ie ria C iv il 138/2005 89



OISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRIO INCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIOROELECTRICO OEL Rio CENZA (ORENSE)

Nivel maximo de explotocion 1341 m

Aportocten onuol en,cf io medic

Nivel minimo de explolccion 1315 m

C A R A C T E R i s T I C A S D E L

E M II A L SE D E L 'C E N ZAVollimen total del embolse 43.36 m'

volernen (otildel embclse 38.73 m'

54.18 m '

Coto de solero 1310 m

Ierne 5uperior

Disto ncia de 1 0 embocod uro a I eje del pczc 137.08 m

longitud 4760.05 mG ole rio d e

presionDi6mefro interior 3.6 m

Tlpo aerea

A I tu ro de 1 0 chimenea desde c imentaci6nC IR C U IT O E N

C A R G A

82.28 m

Di6metra exterior 11mChimenee de

equilibria actualDi6metro interior 10m

Volume n de excovocien 73681 m'

Volumen de hormig6n 2881 m '

lonqltud 2456.39 mTube ri a l or zo da

actualDi6metro interior

3 furbi no s revers iblesu r bi ncs Fronc is reversi ble

Variable entre 3,25 y 2.4 m

Corccte rlsticcs Co mo furbi noU EV A C EN TR A L D E S O T U E L O

Caudal maximo

T A B LA 1 . Co rode'; sfcos del soI to hid roelectri co.

23.3 m'fs x 3

FIGURA 1. Esquema del solto

h id rc ele ctr ico.

90 Ingenieria, Civil 138/2005



DISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRIO INCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO DEL Rio CENZA (ORENSEj

Partiendo de las ecuaciones de equilibrio dinamico y con-

tinuidad, considerando que las perdidas de carga son positi-vas cuando sube el nivel de agua en la chimenea y negativas

cuando dicho nivel desciende y conociendo los coeficientes de

perdidas de carga en la galena de presion y el coeficiente de

perdidas en la obturacion 5e puede deducir:

All]. = [ Y i + ~ ±(-C1) u p ±(-cz ) · u ~ ) - g.~ , donde:

Au! = incremento de la velocidad en la conduccion en incre-

mento de t iempo At.

L = longitud de la galena de presion

Y , = cota del agua en la chimenea de equilibrio en el ins-

tante j.

Ay = incremento de la cota y en el mi smo intervalo de

t iempo,

OJ = coeficiente de perdidas de carga en la galeria de pre-

sion.

O2 = coeficiente de perdidas en la obturaci6n.

Vt = veloeidad en la conduecion, siendo vi= Q 1 1 Sh donde 8tes la secci6n de la galeria.

V2 = velocidad en la chimenea de equilibrio, siendo V2= Q.j 82,

donde S 2 es la seccion de la chimenea de equilibrio.

Mediante esta ecuaci6n en diferencias finitas se puedenestudiar todas las posibles alternativas de disefio,

Una vez planteadas las ecuaciones, se realiz6 un caleulo

iterativo, en el cual el valor inicial supuesto de AUt debe ser

igual al valor final obtenido de AQ1/S j .

Los pasos dados en la iteracion son:

1 . Suponer un AUI inicial.

2. Obtencion del QI a partir dell ':.ul supuesto.3. Obtenci6n de Qz mediante la ecuaci6n de continuidad.

4. Obtenci6n de l1 y = Q 2 .M82

5 . Obtencion de AUI final mediante la ecuaci6n dinamica.

3 . C A S O P A R T IC U L A R

EI caso mas desfavorable de las oscilaciones es el que se da

al cerrarse bruscamente el paso maximo de 70 m3/s, en una

chimenea recta sin estrangulamiento en elentronque con la

galena de presion, es la que se observa en 1a figura 2, donde

se muestran las oscilaciones del agua en la chimenea paradiferentes radios de la m i sm a .

Estas oscilaciones tan grandes podrian ocasionar una en-

trada de aire en la galena de presion. POI' otra parte, esto

conllevarfa tambien una altura de la chimenea excesiva en

el caso de la turbinacion, COIl el consiguiente costo econe-

mico que eso conllevar ia .

Como formas de evitar esto se plantearon las siguientes

soluciones:

1. Dar a la chimenea de equilibrio una amplitud mayor

para reducir la magnitud de oscilacien, En este caso, tan

solo serfa necesario plantear una anchura mayor de la

parte baja de la ehimenea.

2. Un aumento reducido de potencia (y caudal) elevando

unos metros el nivel minimo de explotacion para aumen-tar la minima cota de agua de la chimenea. Be lirnitana

el funcionamiento de los grupos a partir de un cierto ni-

vel de seguridad,

3. Sobre la solucion anterior, reducir la dimension de la es-

triccion en el contacto de la galena de presi6n y la chime-

nea de equihbrio.

4. Afiadir una segunda chimenea de equilibrio que cuente

con una cierta camara de expansion a niveles inferioresque mejore el funcionamiento del conjunto.

Es bien conocido que toda variaci6n en el flujo que pro-

duzca una modificaci6n de las lineas de corriente provoca

una perdida de energta en el mismo. De este modo, se co-

noce que una contraccion en la base de la chimenea podria

ser muy util para reducir la amplitud de las oscilaciones,

creando una perdida de carga localizada en la base de la chi-

menea, cuya altura equivalente se sume al desnivel real

existente. Este efecto multiplicador se puede conseguir con

un estrangulamiento mas 0menos complejo situado en la co-

nexion entre la chimenea y Ia galeria que ocasione la per-

dida de carga buscada,

FIGURA 2. Cola deog.uo/tiempo.

1460

1440

1420

1400:[

1380g-O> 13600. ,

13400

.21320

u1300

1280

1260

1240

Oscilcciones de diferentes chlmenecs de equil ibr ia ,eglon el

radio en el tiernpo Radio> de 10

chimeneo

[ r n ] R 1

f\ --5m

'L n . . A - . . . \ ( \ _ f\ 1\ r«

1 '\ I 1 ,.,

--·25m

--75m

500

--iOm

\/ v

\,.1 ' \ \/ V V v

+--"'-IJ---------·I

o 1000 1500 2000

Tiempo Is )

I ng e ni er ia C i vi l 138 /2005 91



DISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRIO INCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO DEL Rio CENZA (ORENSE)

o

Radios de 1 0

chimenec 1 m )

R l

De la figura 3, donde se muestra la minima cota que al-

canza el agua en la chimenea para un caudal de 70 illS/S, (al

abrirse las valvulas) se obtiene la conclusion practica de que el

diametro de ob tu ra ci on op timo de la chimenea es de entre el 4y el 6 % del valor del diametro de la misma, pues de ser inferior

esta se volverfa inestable, Esta f ig u ra e s s ime tr ie a en el eje de

abcisas a la que se obtendria para la maxima cota que alcanza

el agua al cerrarse las valvulae y p as ar un caudal de -7 0 m3fs,

En cuanto a la reduccion del nivel maximo por Is obtura-

cion, en las figuras 3 y 4 se muestra como para valores de laobturacion superiores al 20 % no tiene efecto practice colo-

carla para reducir el nivel de agua maximo en la chimenea,

De este modo, el factor limitante es el nivel minimo de aguaen Ia chimenea, y para el se dimensionara la obturacion en

la base de la misma (Vel' figura 4).

POl' otra parte, con respecto a la altura maxima de agua

en la chimenea al abrirse las valvulae, en la figura 4 puede

observarse como esta se ve limitada especial mente por el

diametro de la m ism a, m as que po r la obturacion, aunque el

efecto de esta es mayor cuanto menor es el diametro. Para

Minima valor de 10 oscilaci6n en 1 0 chirneneo para dilerentes radios

0

-10

·20

:I- 30a

- 40"l0

·50J

-0

i: ' ·60.2

« ·70

·80

-90

-100

10 2.p 30 40 50 60 70 80 90 I

~

~,\ ' - - - - - =~

\"-\<,<,

--3

--4

5

--6

--7_

--8

--9

--9

--10

Porcentoje de diometro de abturaci6n can respecto 01 radio de la

chimeneo 1% )

FIGURA 3. Alturo deoguojPorcenloje de diometro

de obturoci6n can respecto 01

rodio de 1 0 c h irn e ne o

las caracteristicas del flujo que nos ocupa, para un diametro

superior a 20 m, l a ob turac ion no tiene apenas efecto.

O tro c as e que s e puede estudiar es aquel en que la chi-

menea de equilibrio tiene la base ensanchada.

Antsriormente se comento como al aumentar e l d iame tr o

de la chimenea se reducia notablemente la amplitud de las

oscilaciones. POI' 10 tanto, la solucion mas economica sera

aquella en que los diametros mayores se coloquen en los luga-res criticos, es decir, en la parte superior e inferior de la chi-

menea, 0 1 0 que es 1 0 mismo , construyendo un pozo de seccionminima con camaras en los extremos. (Vel' figura 5). Esto es

1 0 que habitualmente se denomina chimenea con camaras; la

inferior se denomina camara de alimentacion, ya que proper-ciona el volumen de agua solicitado poria turbina durante el

arranque, y la superior camara de expansion, puesto que re-

c ib e e l caudal rechazado durante la parada,

De este modo, se ayudara a controlar el nivel maximo de

las oscilaciones en la chimenea. Se han estudiado diferentes

case s , r ep re sen tando can d if er en te s c ur va s la relacion entrela cota maxima de agua y la altura de la camara de alimen-

Moximo valor de 10osc iloc ion en 10chimeneo pora di jerenres rcdios

18

16

14

:I12

0 10Ol0

8J

-0

~ 6.2

« 4

2

0

-2

Rcdios de 1 0

chimeneo [m ]

R l

//

V

f

I{

/

/ -0 20 30 40 50 60 70 80 90 1

_-3

--4

5

--6

--7

---8

--9

--10

o

Porcentoje de di6metra de obturoclcn can respecto 01rodio de 10

chimeneo (% )

92

FIGURA 4. Altura de

aguojPorcentoje de dicmetrcde obturoci6n con respecto 01

radio de 10chirnenao

Ingenieria C iv il 1 3 8 /2 0 0 5




R 2C a ma ra d e e xp an sio n

H2

H1 R 1P o zo d e 1 0 c h ir ne n ec

H 3 R 3

I

C am ara de olimentocion

F IG UR A 5 . E sq ue mo d e 10 c h ir ne n eo c on c om c rc s.

,F IG U R A6 . A lt ur a m a xim a d e

og ua/ A llura de 10 co rn oro d e

climenlocion.

taeion con respecto a lOS diferentes radios de la base de la

chimenea y siendo cada grafico para difsrentes radios del

tronco de Ia misma (Ver figuras 6 y 7).

Asi se llega a la conclusion de que para que el ensancha-misnto de Ia base influya en la altura total de la chimenea,este deberia ser de una magnitud tan grande que se con-

vierte en inviable, con 1 0 que se puede afirmar que no sedebe utilizer para controlar las oseilaciones maximas de

esta chimenea.En cuanto al nivel minimo de la misma, tarnbien se han

sstudiado difersntes casos, al igual que para el nivel ma-ximo. D e todos ellos (Ver figura 7) se observe que conformeaumenta el valor de Ia altura de la base de la chimenea, se

reduce el valor minimo que alcanzan las oscilaciones en esta

hasta una cierta asfntota, que se encuentra a aproximada-

mente los cincuenta metros de altura de Ia base en todos los

cases estudiados. Se observa tarnbien que la reduccicn de

las oscilaciones es mayor conforrne se aumenta el radio de la

ampliacion de la base. Estes calculos se han hecho para elcaso en que se abra bruscamente la entrada de agua, que es

la situation mas desfavorable,En caso de que se quisiera reducir las oscilaciones del nivel

maximo de la chimenea, se pcdria plantear la construccion de

~

~. \\\ "<,

~ '\\ \ \ - .\\\\\'-.~---..__

R adio 5m (R 2)

10 20 3040

A ltu ra d e 1 0 bose (m ) H 3

60

]: 59 5< I > •

_ _ g 59

-; 58.5-0

ill 58-0

g 57.50)

a 57

'"~ 56.5E· x 56-o

~ 55.5

.2 55« 0 10

R a dio 5 m IR2)R ad ios d e 1 0

bose de 1 0

chimeneo (m)

R 3

--6

--75

10

--125

--15

--·175

20 30

Alfuro de 10 b ose [m ] H 3

40 50 60

.

- : : : : : : : - -~ - - - - - - I

~

~ - - -- - - -

....-

]: 45

. ,400

-"..Q 35.,~ 30."

-0

25~0)

20<I >

~ 15

.~ 10-0

E 5

~

« 0o

R a d io s d e 10b os e d e 10

chimenec [m]

R 3

-6

--75

10

--125

--15

--175

50 60 F IG U R A 7 . A lt ur o m ln lrn c d eag uo / A lru ro d e 1 0 c c mor o de

axponsicn.

In geni eri a C ivi l 1 3 8 /2 0 05 93



DISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRIO INCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIDROELECTRfCO DEL Rio CENZA (ORENSE)

FIGURA 8. Colo minima de

oguaj Altura de 10cornoro de

olimentoclon.

Colo maxima que olcanzo 10 lamina de oguo en la chimeneo para diferentes alturas del tronco

y diferenles radios del mismo Radios de la

chimeneo (m)

R l

Altura

maximo

alcanzoda

par el

ogua

134

]:134

o'"ii 13 4E

{i 13 4_.2

a i 134a5:,134a

{ : 1 34o

.~ 1 34:2

_.2 13 4O J

"13 4

J 0

9

7 -:/5

/// I

" ~3

~2

_...,e:?I

"

--3

--4

5

--6

--7

--8

--9

-'IQ

10 30 40 50 600

Alturas del tronco enlendido desde 10bose de 10chimenea (m) HI +H3

94

lila camara de expansion. Asi , en la figura 8 puede observarsela cota maxima que alcanza el agua en la chimenea para dife-

rentes alturas del po w (considerandose este desde la base de

la chimenea, olvidando la camara de alimentacion, que se ha

demostrado que ya no influye en la maxima cota de agua al-

canzada por la ch.imenea) y diferente.s radios del mismo, supo-

niendo la camara de expansi6n desde el final del pow hasta la

maxima altura alcanzada por al agua 01er figura 9).

En la figura 8 puede verse que cuanto mayor es la altura

del troneo, es decir, euanto menor es la camara de expansion,

mas altura alcanza el agua. Por esto, sera muy conveniente

hacer una ampliacion en la parte superior de la chimenea.

Del mismo modo, puede observarse que la ampliacion

s610 merece la pena hacerla a partir de una cota determi-

nada, que en este caso es aproximadamente de 50 m, inde-

pendientemente del radio del tronco 0del diametro de la es-

triccion. Estos calculos se han hecho suponiendo que la

pendiente de la camara de expansion es de 45°.

Para aumentar el area de la base de la chimenea se podia

plantear la inclinaci6n de la misma, al menos en sus prime-

ros tramos, De esta manera, si se siguiera la pendiente de la

ladera, se disminuiria la altura de la torre. En la figura 10IGURA 9. Esquerno de 10chimeneo.

Hl+H3 Rlr----

Pozo de la chimeneo

Radios de la

50,----------------------------, chimenea (m)

E J

_ 1 0 L _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~cnqulo de 10chimenea (· 1

Coto minima que clconzc 10 lamina de aguo en 10chimeneo paro dife'entes 6ngulos

de inclinaci6n de 10chimeneo

10 20 30 50

FIGURA 10. Coto minima

clccnzcdo por el ogua

respecto 0 1 punlo

inicial/ Angulo de 10

chimenea.

40

In gen ieria C iv il 1 38 /2 00 5



DISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRIO INCLINADA EN ELAPROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO DEL RIO CENZA (ORENSE)

C omporocle n entre a hum ve r ticol max; may predo de 'UnO'c himenea ;nel lnode co 0

una verficol

6,000.,0.00

5,000..0.0.0

4000..0.0.0§[0 3,000..000.

"U

1 ' : ',0-

2,000.,000.

1.0.00.,000.

0.

60 .

-- Chimenea

verticcll in situ

- - - - - - ---ChimeneO'

inclinndn

prefc bricad a

FIGURA 11. Precio I€)/ Altura

verncol olccnzcdo por el '

agua,

120. 160 .0. 10.0.

Allu fa vsrficcl a lea nzodn parel ag u a 1 m )

se muestra Ia cota minima de agua alcanzada en la chime-

nea re sp ecto al punto inieial, en funci6n de la incl inacion de

Ia chimenea, Pllede observarse como disminuye esta con-

forme se aumenta la inclinacion,

De esto se concluyo que:

l.Cuanto mas grande sea el radio de la chimenea menos

amplitud de las oscilaciones,

2. El diamstro de estriccion en la base debe ser como mi-nima un 5% el radio del cuerpo de la chimsnea.

3. La altura minima que alcanza el agua en la chimeneanunea debe ser inferior ala cota de la galeria de presion,

porque si no" entraria aire en esta y podria haber proble-

mas de cavitacion.

4 ,. Para reducir la altura de la chimenea sera util disponer

de un ensanchamiento en esta que funcione como una ca-

mara de expansion.

5, Es conveniente que Ia parte baja de la ehimenea tenga

un ensanchamiento que funcione como una camara de

alimentacion. As! se reducira el nivel mmimo de la chi-menea sin tener que aumentar el radio de la misma,

POI' todo esto, se propuso como solucion optima la cons-

trucci6n de una chimenea inclinada, siguiendo el trazado de

Ia ladera. Con ella, se consigue aumentar la superficie de la

140.

chimenea sin aumsntar su radio, ahorrando material. Porotra parte, tiene la gran ventaja de que al seguir el trazado

la pendiente de la ladera, el impacto visual y paisajfstico se

reduce n ota blem e nte. A d em as hay que tener en cuenta un

heeho fundamental: el precio de la tubena al hacer la chime-

nea inclinada es bastante inferior al de una torre del mismo

diametro, como puede verse en la figura 11, donde se repre-

santa el precio de la chimenea inclinada con respects a una

vertical en la que el agua alcance la misma cota, suponisndo

la inclinada con una pendiente constants del 7%. Por iil-timo, cabs destacar a favor de las chimsneas inclinadas sumayor facilidad eonstructiva con respecto a las chimeneasverticales: hacerla consistira simple mente en un trazado de

tuberias frente a las actuaciones que tradicionalmente se

han venido hacienda para este tipo de ohras cuando se dis-ponga de Ia topografta adecuada.

4 . E LE CC IO N D E L M A T E R I A L

La idoneidad de un material para una aplicacion viene dada

por la facilidad de conformacion y el precio. Los tip os de ma-

teriales que se pueden emplear para esta ehimenea de equi-

librio son basicamente tres: La fundicion, el hormig6n ar·

mado con camisa de chapa 0 el hormigon postensado y el

poliester reforzado con fibra de vidrio. Otros como el PVC

250.0.

~ W o . o .

~1500

2

0100.0u

50.0.

0.

0.

Precios cornporotlvos de fuberlos

-- Iuberics de

fundici6n

-- Iubsrtc de

hormigbn

armada con

ccmisode

chcpc

-.- .. Tubericl de

poliesjer

50.0. 100.0.FIGURA 12. Euros I€)

/di6metro de luberia (m).

1500. 20.00

Di6metros (ml

2500 30.00 3500

Ing enie ria C iv il 1 38 12 00 5 95



D.SENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRia .NCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO DEL Rio CENZA (ORENSE)

F IG U R A 1 3 . P lo nt o d e l

I ro zo do d e 1 0 chimeneo.

quedan deseartados en el range de diametros que se estu-

dian.

En 1a figura 12 se muestra una comparacion entre los

precios de estas tubenas para diferentes diametros por me-

tro lineal en toda la obra ya instalada.

Si se comparan los precios, puede verse que results mas

e conom ic o c olo ca r tuberias de poli es te r r efo rz a do con fibra

de vidrio,

POI' otra parte, es necesario sefialar que las tuberias de

PRFV son mas flexibles que las de hormigon y acero, ade-

mas, para la misma resistencia a la flexion, el espesor re-

querido para fibra de vidrio es practicamente igual que elacero. POI' 10 tanto, esto es algo que conviene especialmente

al problema, pues Ia tuberia no estara sometida a traccion y

sf a flexion en algunos tramos. Las dificultades que esto pu-

diera presentar se corrigen mediante una buena compacta-

cion del terrene.

5 _ C A LC U ,L O D E L A S L O N G IT U D ES Y T R A M O S D E L A ST U B ER IA S D E L A C H IM E N E A IN C L IN A D A

POl' 10 que se ba explicado anterionnente, la seccion e1egida

a la hora de construir una chimenea inclinada dehera ser

aquella en que tanto la pendiente del inicio como la del final

sean mfnimas. (Vel' figuras 13 y 14). Posteriormente habra

que clasificar la seccion de la chimenea en tramos de dife-

r en te s p end ie nte s ,La altura que alcanza el agua en la chimenea esta defi-

nida pOl' el caudal que entra en cada momento, por el nivel

2.60

5.1"

inicial de agua en la chimenea, y por el diametro de la tube-

ria a partir de una cierta cota.

Una caracterfstica basica de esta obra hidraulica es que

sigue la inclinacion de la pendiente. Esto hace que con un

mismo diametro se consiga mas area de circulacion de agua,

pudiendo lograr asi un ahorro mayor de material. Por su-

puesto, hay que tener en cuenta que no se pueden reducir

infinitamente los diametros de Ia chimenea pues se vuelve

inestable y las oscilaciones no se detendrfan,

5 .1 A L T U R A M A .X IM A D E A G U A E N L A C H IM E N E A .

T R A M O S S U P E R IO R E S

En primer lugar debe calcularse el diametro de tuberia co-

rrespondiente al tramo superior, intentando que este sea m f-

nimo. Sin embargo, no podra ser todo 1 0 pequefio que se

quiera, pues de esta manera solo se conseguina que la chi-

menea se volviera inestable. POI' 1 0 tanto, es necesario calcu-

lar las caracterfsticas de las oscilaciones para diferentes al-

turas de agua.

Para ello, en la figura 1 5 se muestran, en los casos en

que el embalse se encuentre en los niveles maximo (1341 m)

y minimo ( 1315 m) de explotacion, las maximas alturas que

alcanza el agua en la chimenea para diferentes radios de tu-

beria.

Asi, en esta figura, puede verse como la chimenea se

vuelve inestable si el radio de la misma es demasiado pe-quefio: la altura maxima de agua sube para volver a bajar

de nuevo, sin mantener un patron definido.

F IG U R A 1 4 . A lz ad a c an '

pendiantes de l frczo do de 1 0

chimenec.

96 In ge nie ria C iv il 1 3 8/ 20 0 5




1400

1390

I1380

0=>OJ0

1370a;"'0

_ g0u

13600E'x'0

: : : : 1350

1340

bid dd I hRa io e

nesto i a e a c Irneneo tuberlo [m]

-0,5

-·-0,7

!V l : :-1

i - - : : : :

I I I r 1 \ 1 / \ Z~ ~ ~ -1,25

/ 1 \..& p : : ; -1,5--

_/-

'1' Vp

V! - - - - -

".... ~ r-- ~

! V ; ~

1 , . . - -l\ / v l-I-

V

--- i-

FIGURA 15. M6x imo oltura de agua/Longi tud de luberia desde el origem.

1330

o 20 40 60 80 100 120 140160 180200 220 240260 280300 320340360 380400 420 440 460 480 500 520540560580

Longilud [m]

Este grafico es esencial para el disefio de los tramos de la

chimenea; en e l pueden verse varias cosas:

I La situacion mas desfavorable es aquella en que el. em-

balse esta en el nivel mmimo de explotacion,

• Puede observarse que hasta una cierta longitucl, el radio

de los primeros tramos de la chimenea no tiene influencia

en absoluto en la altura maxima de la misma,

• Podran situarss varias longitudes con diferentes radios,que iran aumentando progresivarnente en la chimenea.

• A partir de un radio igual a l.5 ill, la chimenea deja de

ser inestable, luego este sera el radio de los ultimos tra-

mos de la misma,

• Desde una distancia de 140 m al origen hasta los 230 m,1 0 mas conveniente sera. colocar un tramo de radio 125 m.

I Hasta el origen de este se podra colocar un tramo de 0.5 0

0,75 m de radio y 140 m de longitud sin que influya en 1a

altura maxima.

5 . 2 A lT U R A M iN IM A .D E A G U A E N L A C H IM E N E A .

T R A M O S IN F E R IO R E S

La parte de la chimenea que no se ve afectada por el diame-tro de los tramos superiores se puede dividir en dos tramos

de pendientes distintas, como se ve en la figura 16. Para ha-

llar el radio del tramo mas proximo a la galena de presion,

se ha hecho un estudio de la influencia de este en la altura

minima alcanzada POI' el agua en relacion con el diametro

del elemento de entrada de agua en la chimenea. Es condi-

cion fundamental que el agua no baje de la cota 1285 m

(union de la chimenea con la galena de presion), ya que se

co rre el riesgo de que entre en esta ultima.

Debe tenerse en cuenta que los tramos superiorss de chi-menea pueden aun ejercer una influencia sobre 1a altura mi-

nima de agua en la misma, Para comprobarlo, se ha reali-

zado un estudio de tres casos (figuras 17, 18 y 19), variando

el radio del tramo inmediatamente superior, que en el estu-

dio de los ultimos tramos se dijo que debra estar compren-dido entre 0.5 y 0.75 m.

En estas figuras puede observarse una caracterfstica co-

miin: cuanto mayor es el radio de la tuberfa, menor es el ra-dio necesario de elemento de entrada de agua en la chime-

nea al principio de la chimenea. Asi, surge la primers

dificultad para elegir los d iam etro s o ptim o s de e ste s g ra fi-

cos, pues no se sabe si sera mas rentable un radio de tuberia

grande 0 uno pequefio, De este modo, habra que realizar un

estudio economico que valore los precios de las distintas op-

ciones,

Pero antes habra que elegir el radio del segundo t ramo

de tuberfa empezando desde la tom a de agua. Para ello sera

necesario realizar un e st ud io e co ncm ic o de las tuberlas in-

cluyendo el sistema de entrada de agua, que es de hormigon,para vel' que sale mas barato. As! se obtienen los resultados

expresados en la figura 20, donde puede verse que es mas

barato colocar una tuberfa de 0,5 m de radio tanto en el pri-

mer tramo como en el segundo tram o. '

Sin embargo, hay que estudiar las posibles inestabilida-

des que se produzcan en la chimenea debido a un radio de-

FIGURA 16. Pendientes en losfrornos infer iores de 1 0

chimenso.

1.5· 6.7. Goler io de presion

~~--~~--~.'~

Ingenieria Civil 138 /2005 97



DISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRia INCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO DEL Rio CENZA (ORENSE)

]' 1286

~ 1285,5u '

1285

1284,5

1284

1287,5

1287

1286,5

~

~ =-~

- - = = ~~ _..

=

~ ~

=>: L. :»:

/'

= = - - - - - I

Radio de

luber ia [m]

-0,5

'-0,75

-1

-l.25

-1,5~

-1,75

Colo-1285

4

1283,5

1,5 2 2,5 3 3,5

Radio del elernenro deenlrado 1m]

F,IGURA17. Minima olfuro de

aguo/Radio del elemenlo de

en Irado. Este g ,6 Hco rnuestro

Ias varia clones de'l nivel

minima de oguaen el coso en

que el radio deltromo inferior

can i.ofluenclo en 1 0 a I two

maximo de 1 0 chimeneo es

0.5 m .

1288

1287Rodio de

. . . - : : :I

tuberio [ r n ]

1286. . . . . .

- ,_;_--/! -0,51285

........::S;!J

.&' F ; : . ' ./ / -0,75]' 1284

~

~ /~.-.I

£ 1283~

-1,250

.> /I

u-1,51282

1281 / -1,75

_ . , -Cola

1280 - 1285

- - -279

1278I 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Radio del e lernento de entrada, 1m)

F IG UR A 1 8 . Minima ohoro de

aguo/Rodio del elemento de

entrada. hte 9rolioo muestrn

l c s vc r ioc ione s del nivel

minima de aguo en el coso

en que el radio del tramo

infer ior can inf luencia en 1 0

cltorc maximo de 1 0

chimenec es 1 metro.

1287

1286

1285]'

.2 1284

v

1283

1282

1281

. z : : =- - f,--~ ~ - - I-

~

»:

A V

~

»>,

WI

1,5 2 2,5 3 3,5

Radio de

luber io 1m)

-0,75

~·-1

-1,25

-1,5

~.~ 1,75

A

Colo1285

Radio del elemente de entrada (m]

masiado pequeno. Pam ello, en la figura 21 se ha hecheuna relacion de todos los radios que se estan estudiando

cuando el nivel mtnimo de la chimenea es de 1285 m, paraver c6mo se comportan las curvas. En el memento en queestas dejan de ser continuas la chimensa se vuelve inesta-

F IG UR A 1 9. M in im a a ltu ra de

aguo/Rodio dele' lemenlO de

enIrado, Es te g r a fico muestro

101 vcricciones del nivel

minlmo de o'guo en el coso en

que el rod io del Iramo infe rior

con in II uencio en 1 0 a lturo

maximo de 1 0 chimeneo es

1.5m

ble, Ese es justo el radio mmimo de la tuberfa que se puedecolocar,

De este modo, se obtiene que el radio 6ptimo para la en-trada de agua en la chimenea, que sera hecha in situ de hor-migon armado 0 pretensado es de 1.8m.

98 Ingenie.ria Civil! 138/2005



DISENO DE UNA CHIMENEA DE EQUILIBRIO INCLINADA EN EL APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO DEL Rio CENZA (ORENSE)- - -

120.000

100000

\\\\ -, ___.-:

"---F IG U R A 2 0 . C o st a/ R o di o de l

primer trorno,

80,000

~ 60.000

2

d .40.000

° 0,5 0,7 0,9 1 ,1 1 ,3 1 ,5

Rodio del primer fromo 1m )

]0

]: 9

c 80

0>'1 " 7: :;.s:III 6""0

-@ 5III

E O4)

Qi

-;; 3-0

0

i5 2e

'"

I

\.\\

. \

\ \.1 ,\ ~

\._.r---._

R od io d el

segundo

I , e o m , ' : m

l

I

R ad io d el

segundo

~

1,7

°°

2

F IG U R A 2 1 . Radio de enlrcdo

deaguo a 1 0 chimeneo/Rodic

del primer tramo.

1:,8,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 1,6

Rodio del primer tromo [rn]

F IG U R A 2 2 , Altura de ogua

minima en, lc

chimeneo/Ro.dio del lromo

con 1 .25 m de radio.

2,5

1287

1286,8

_Q1286,6

!::

1286,4II

eE ' ]: 1286,2'~

'1 " 01286,

o c

=> Ii)

'" E ' ]285,8o 1:III u

--0 ]285,6.20 1285,4u

1285,2

1285

/'L/'

/'

,. .V

l.-//,

V

°0,5 1,5 2

Radio 1m )

El radio del e lem s nt o i nmed ia tament e posterior, de po -

liester reforzado con fibra de vidrio sera de 0 .75 m para una

longitud de 46 ill.

Para el tramo siguiente, bastara un radio de 0.5 m enuna longitud de 140 m.

En cuanto a la influencia del tramo de 1.25m de radio en

la altura minima de a gu a a lc an za da en la ch im enea, la fi-

gum 22 musstra que esta es minima y que con ese radio elagua Jiega a una distancia del sumidero con un margen de

seguridad de 0.8 m, 1 0 eual es mas que aceptable.

3 3,5

lngenieria C iv il 1 3 81 20 0 5 99



FIGURA 23. Secci6n t ipo de

1 0 chimeneo de equilibrio,


Moteriol compoctodo

///

Coma de arena,/

Row,

6. C AR ACTE RisTIC AS D E L A Z A NJ A:

La tuberia podrfa ir simplemente al aire libre, arrinonada

en el suelo; sin embargo, con los niveles actuales de exigen-

cia ecologies en la sociedad, e s a s o lu ci on es insostenible po r

el gran imp acto visual que provo ca. De esta manera se pro-

pane enterrar total 0 parcialmente Ia tuberia, de modo que

se anule este impacto en todo 1 0 posible, siguiendo a la ve z

un criterio ecol6gico y economico (vel' figura 23).

7. C O N CL US IO N E S

Puede observarse como, cuando s e dispone de la topografiaadecuada, esta tipologia de chimeneas es mucho mas renta-

ble que las que tradicionalmente se han venido constru-

yendo para aprovechamientos hidroelectricos con estas ca-

racterfsticas. No s610 es mucho mas barata que la que en su

dia se diseno en esta zona, sino que tambien es mucho mas

facil de construir: Imaginemos un simple tendido de tube-

rias frente a la construccion de una torre de hormigon pre-

tensado de mas de 80 m de altura.

En cuanto al tiempo que se tarda en construir, esta tam-

bien tiene grandes ventajas: En algo mas de dos meses esta

mas que acabada,

POI' ultimo, es importante resefiar que el impacto visual

que causa es tambien rninimo: si se quiere estas chimeneas

pueden cubrirse desapareciendo totalmente a la vista.

En definitiva, el buen aprovechamiento de las caracteris-

ticas que ofrece el entorno, unido a las oportunidades que

los nuevos materiales brindan consiguen faci1itar e1 aprove-

chamiento de los recurs os.

8 . A GR A D EC IM IE N TO S

EI presente trabajo ha contado can la colaboracion de

Luis Maroto Cervera y Manuel Bur6n Maestro, profesores

de la Universidad de Castilla-La Mancha. Nuestro agradeci-

miento tambien a las empresas URALITA y DRAGADOS

S.A. al premiar este estudio.

9. B IB L IO G R AFiA

Cuesta Diego, L., Vallarino, E. (2000) - Aprouechamientos

Hidroelectricos, Ed. del Colegio de rccp.

Gomez Navarro, J., Araci], J. (1944) - Saltos de A gua y

Preeas de Em balse - Ed. Tipografia Artistica.

Maroto Cervera, Luis (1962) - Proyecto: Aprovechamientoh id ro el ec tr ic o d el do Cenea-.

Mosonyi, E. (1987) - W ater Pow er D evelopm ent - Low Head

P la nts - Ed. Collets.

Ortiz Flores, R. (2001) - Pequeiias centrales hidroelectricas

- Eel. M e Graw - Hill.

Nuevo chimeneo, de e uil ibrio

FIGURA 24. Resul todo f jnol del

proyecto. En esto imagen se

muestron en controste 1 0

chimeneo octual junto con 1 0

nuevo chimeneo indinodo.

Puede verse que " I impocto

visual es mucho rnenor. Uno

vez hscho 1 0 r"veg,,!a cion delter rene, no qoedcro openos

sefiol de su existencio.

100 Ing enieria C iv il 1 38 12 00 5

calculo dde chimenea

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