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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS, CAMPUS 1, FACULTAD DE INGENIERÍA

Julio UNIDAD 1. Aspectos de generales 2011 HIDRÁULICA DE MAQUINARIA Y DEL FLUJO NO PERMANENTE Julio de 2011

HIDRÁULICA DE MAQUINARIA Y DEL FLUJO NO PERMANENTE (EXPOSICIÓN)

EQUIPO 1. PRESENTAN:

ALFREDO SÁNCHEZ VELASCO CARLOS RODRIGO GUTIÉRREZ GÓMEZ JOSEPH MARTÍNEZ SANTIAGO MIGUEL ÁNGEL MEDINA DÍAZ

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CONTENIDO ÍNDICE. …………………………………………… …………………PÁG. UNIDA 1. ASPECTOS GENERALES Introducción. …………………………………………………….. 3 1.1 Energía y potencia en un sistema hidráulico. 1.1.1 Sistema hidráulico. …………………………………………………………….4 1.1.2 Energía. …………………………………………………………………………4 1.1.3 Potencia. ………………………………………………………………………..6 1.2. Características y componentes principales de equipos de bombeo. 1.2.1 Clasificación. ………………………………………………………………….. 9 1.2.2 Partes y características de una bomba. ……………………………. 10 1.3. Características y componentes principales de una central hidroeléctrica. 1.3.1 Aprovechamiento de energía hidráulica. ………………………………13 1.3.2 Tipos y características de centrales eléctricas. ……………………..13 1.3.3 Principales componentes. de una central hidroeléctrica. ……….18 1.4. Disponibilidad de recursos hidroeléctricos en México. 1.4.1 El agua como recurso disponible. ……………………………………….28 1.4.2 Disponibilidad y problemas de agua en nuestra región. …………31 1.4.3 Fuentes disponibles de energía eléctrica. ……………………………..32 1.4.4 Plantas eléctricas de Chiapas. ………………………………………………35 3

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1.4.5 La central hidroeléctrica más importante de Chiapas. …………….36 2. Conclusión. ……………………………………………………………………………………38 3. Bibliografía. …………………………………………………………………………………….39

Introducción La energía eléctrica es la principal energía en que usa la mayoría de las maquinas, en los hogares, calles, para equipos domésticos, que hacen funcionar las industrias, automóvil etc. Es decir la energía eléctrica está en todas partes como el aire y es uno de los más importantes descubrimientos e inventos del hombre sin duda alguna. Entonces esta energía tan importante y necesaria para cada persona tiene que adquirir día a día y eso implica comprar la energía, lo que también se ha vuelto una forma de generar economía para la producción de la electricidad. Existen muchas centrales de producción de energía eléctrica, central hidroeléctrica, central termoeléctrica, central nuclear, central eólica, central solar entre otras, perola primera es la más importante, económico, productivo y beneficioso para el medios ambiente y la sociedad, ya que consiste en la utilización del agua, para la generación de la electricidad. Como su nombre lo dice hidroeléctrica, que se basa en el almacenamiento del agua en una gran cantidad, instalación de turbinas, generadores, transformador etc. que más adelante durante el desarrollo del tema se explicara con más detalle. En este presente trabajo se trata principalmente de la central hidroeléctrica, todo lo referente a ello donde presentaremos temas como, energía y potencia, sistema hidráulico, características y componentes de un equipo de bombeo, características de la central hidroeléctricos, el recurso hidroeléctrico en nuestro país y entre otros, que son temas muy importantes y necesarios, mas para las personas que se dedican a la construcción, ingenieros en general que son los que están más relacionados con la electricidad. Entonces esta recopilación de información tiene un amplio enfoque hacia los ingenieros civiles, ya que se trataran conceptos de la construcción de la presa hidroeléctrica. Cabe mencionar que está presente información no es muy profundo, es algo superficial, es algo que nos servirá para enriquecimiento de nuestro conocimiento y preparación como ingenieros civiles, mismos 4

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que presentan este trabajo. Se presenta una recopilación correspondiente a la primera unidad del programa de hidráulica de maquinaria y del flujo no permanente, cabe mencionar que esta investigación fue realizada teniendo datos previos, en otras palabras, lo que se presenta a continuación es una segunda investigación, ya que esta fue realizada con anterioridad por compañeros del semestre anterior

1.1 1.2 ENERGÍA Y POTENCIA EN UN

SISTEMA HIDRÁULICO 1.1.1 El sistema hidráulico Una clásica definición del sistema hidráulico: es un conjunto de dispositivos que mediante la utilización de un flujo de líquidos permite generar un movimiento el cual puede ser aprovechado en forma de energía. Es un sistema de transporte de fluidos, y se basa en la estática y dinámica de fluidos. cabe señalar que nuestro punto de compresión es sobre los componentes de una central hidroeléctrica, así que no desviaremos el concepto del sistema hidráulico, ya que se puede encontrar otras definiciones de este mismo. Si bien los líquidos y gases (fluidos) pueden transportarse en recipientes por cualquier medio convencional, se entiende por transporte de fluidos en ingeniería el movimiento continuo y forzado de líquidos o gases a través de conducciones fijas que forman un circuito de fluidos, el cual consta de elementos funcionales, cuyo número y especie dependen de la función a que se destine el circuito, y que están conectados entre sí mediante conducciones a través de las que se establece el transporte del fluido de alimentación del circuito de unos elementos a otros. Hay gran variedad de circuitos de fluidos en ingeniería, con concepciones, configuraciones y aplicaciones muy diversas.. El funcionamiento de los sistemas hidráulicos se basa en la relación existente entre área, fuerza y presión. A lo largo del tiempo se han establecido un conjunto de leyes que explican el comportamiento de los sistemas hidráulicos. Los sistemas hidráulicos se sirven de las propiedades de los fluidos para distribuir la fuerza ejercida y aplicarla en lugares específicos. Los sistemas hidráulicos se utilizan a menudo para levantar objetos, por ejemplo, motores de automóviles. Es necesario que el diseñador del sistema comprenda la relación entre presión, fuerza y área, para que pueda lograr que el sistema funcione adecuadamente.

1.1.2 Energía 5

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El término energía en forma general (del griego energeia, actividad, operación; energos, fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas aceptaciones y definiciones según el contexto, teniendo en común que es relacionada con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. La energía puede definirse en la forma tradicional, aunque no

universalmente correcta como "la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla definición no es muy precisa ni válida para todos los tipos de energía, como la asociada al calor, pero sí es correcta para la energía mecánica. Pero, ¿qué se entiende por trabajo? En el lenguaje cotidiano tiene diversos significados. En física tiene un significado muy específico para describir lo que se obtiene mediante la acción de una fuerza que se desplaza cierta distancia. El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como en dirección, se define como: "el producto de la magnitud del desplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento". , donde W =trabajo, desplazamiento neto d.

es la componente de la fuerza paralela al

.

La energía no es un estado físico real, ni una sustancia intangible, sino solo una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los estados físicos.

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Energía en diversos tipos de sistemas físicos Física clásica

Física relativista

Física cuánt ica

Quími ca

Mecán ica

Electromagn etismo

Termodiná mica

Energía en reposo

Energ Energí ía del a de vacio ionizac ión

Energí a mecán ica

Energía Electromagné tica

Energía Interna

Energía de desintegr ación

Energí a de enlace

Energí a cinétic a

Energía radiante

Energía térmica

Energí Energía a calorífica potenc ial Energía potencial eléctrica

En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda. La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores. Para caracterizar un aprovechamiento energético es indispensable indicar su potencia y la energía que produce durante determinado tiempo, esto es aún más importante cuando se trata de centrales hidroeléctricas, debido a que en ellas la energía producida tiene un valor prácticamente invariable, mientras que su potencia puede estar afectada por otras características del sistema. Por otra parte, un aprovechamiento hidroeléctrico no puede caracterizarse completamente sólo por su potencia, sino además, y en forma muy importante, por el tiempo en que esta puede utilizarse. A este concepto se le 7

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 llama energía y representa el trabajo desarrollado en un cierto tiempo; esto es, el producto de la potencia por dicho tiempo, que generalmente se expresa en horas aprovechadas, es decir: Energía = Potencia x Tiempo en horas Al especificar la energía producida en una planta, es necesario indicar en qué periodo se produce; por ejemplo: no tiene ningún significado decir que una planta produce X cantidad de kilowatts-hora, si no se especifica en cuanto tiempo (un mes, un año, etc.)

1.1.3 Potencia En física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. En otras palabras como la rapidez a la cual se efectúa trabajo, o bien, como la rapidez de transferencia de energía en el tiempo. La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt, que es lo mismo. La potencia hidráulica, es el trabajo que efectúa un mecanismo hidráulico por unidad de tiempo, es decir: potencia es

igual al trabajo por unidad de tiempo; trabajo = presion x superficie x distancia v ( volumen, en este caso es caudal, ya que desplazamos fluido) = superficie x distancia. Total llegamos a la conclusión, que en un sistema hidráulico la velocidad queda indicada por el caudal, en litros por minuto, y la fuerza, por la presión.

Las Unidades

Unidades de Potencia Sistema Internacion al

Sistema Inglés

Vatio (W)

Caballo de Kilográmetro ergio potencia (HP) por segundo segundo

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Sistema técnico unidades

de

Sistema cegesimal

Otras unidades por Caballo de vapor (CV)

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 (kgm/s) 1HP= ft.lbf/s 1HP= W

(erg/s)

550

1CV= kgf.m/s

745.7

1CV= W

75 735.5

El Sistema Internacional la potencia se expresa en Joule por segundo, unidad a la que se le da el nombre Watt (W), 1 W = 1J/s. Cuando decimos que un foco consume 60 watts, estamos diciendo que transforma en cada segundo 60 Joules de energía eléctrica en energía luminosa o térmica. Para potencias elevadas se usa el caballo de fuerza, abreviado hp, que equivale a 746 Watts. Las unidades de este sistema se utilizan comúnmente en los aprovechamientos hidráulicos, así como las siguientes derivadas del Sistema Internacional de Unidades: Magnitud Unidad Equivalencia Símbolo Fuerza

newton

kg-m/s2

Presión

pascal

N/m2

Trabajo

joule

N-m

Potencia

watt

J/s

N kg/m • s2 kg-m2/s2 kg-m2/s3

Pa J W

¿Entonces que es energía y potencia en un sistema hidráulico?

Sistema de tuberías o dispositivos de transporte de fluido. Donde se requiere requiere incrementar la energía mecánica para ejercer trabajo (potencia) sobre el fluido. Mecanismo aplicado en la central de distribución de agua potable, presas, central hidroeléctrica, etc. El intercambio de energía entre dos sistemas ocurre mediante transferencia térmica o trabajo. En tuberías y accesorios se disipa energía mecánica, presentándose la potencia, junto forman una presión para transportar el agua otro elemento del sistema.Pero cuando en un sistema de tuberías se requiere incrementar la energía mecánica es necesario ejercer trabajo sobre el flujo. Este trabajo se transfiere con bombas en el caso de líquidos o con compresores, ventiladores y sopladores en el caso de gases. Tanque Succión Cárcam Descarga Bomb H h d T s o de o de a m Impulsión succión descarg a

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Si se considera el flujo entre un tanque inferior, que se conoce como pozo o cárcamo de succión, desde donde se alimenta una bomba hidráulica mediante una tubería de succión, y un tanque superior donde entrega la tubería de descarga o impulsión se tiene la combinación de los dos tipos de transferencia de energía. En la succión se pierde energía por fricción (hfs) y por turbulencia local en accesorios (hLs), tal como también ocurre en la descarga (hd = hfd + hLd). La gráfica ilustra esas pérdidas (hs + hd) y la diferencia topográfica (hT) de nivel entre las superficies de los dos tanques, abiertos a la atmósfera y en condición de flujo permanente e incompresible. En estos casos se requiere un incremento de energía mecánica que se obtiene por la acción de una bomba hidráulica. Las ganancias de energía se manifiestan como aumentos de presión Un motor, normalmente eléctrico, convierte potencia eléctrica (Peléctrica) en potencia mecánica (Pmecánica) en un eje acoplado a una rueda con álabes impulsores que a su vez transmiten gran parte de esa potencia mecánica al flujo en forma de potencia manométrica (Pmanométrica = QbombeoHmanométrica), que incrementa la energía de PRESIÓN del flujo.

1.2 CARACTERÍSTICAS Y COMPONENTES PRINCIPALES DE EQUIPOS DE BOMBEO Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica y la convierte en energía, que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad. Las bombas se emplean para impulsar toda clase de líquidos (agua, aceites de lubricación, combustibles, ácidos, líquidos alimenticios, etc.

Breve historia de la bomba La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III a. C., aunque este sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a. C.[] En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y bombas de desplazamiento positivo. Antes de determinar el tamaño de un sistema de bombeo de agua, es necesario entender los conceptos básicos que describen las condiciones hidráulicas de una obra.

CDT = CE + CD = Nivel estático + abatimiento + altura de la descarga + fricción

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1.2.1 Clasificación

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BOMBAS ROTO DINÁMICAS: todas y solo las bombas que son turbomáquinas pertenecen a este grupo. ➢ Estas son siempre rotativas y su órgano transmisor de energía se llama rodete ➢ Se llaman fotodinámicas porque su movimiento es rotativo y la dinámica de la corriente juega un papel esencial en la transmisión de energía. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. A este grupo pertenecen no solo las bombas alternativas, sino las rotativas llamadas roto estáticas (son rotativas), pero en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de energía. BOMBAS RECIPROCANTES. El funcionamiento es que cierta cantidad de agua es obligada a entrar al cuerpo de la bomba, en donde queda encerrada momentáneamente, para después ser forzada a salir por la tubería de descarga. BOMBA DE DIAFRAGMA. Ocasionalmente, las bombas Reciprocante están provistas de un diafragma flexible recíprocamente en vez de un émbolo o pistón Reciprocante, caja de empaque. 12

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BOMBA RECIPROCANTE DE EMBOLO DE DESCARGA VARIABLE. Bomba cuyo gasto de descarga pueda ser variado sin cambiar la velocidad de rotación. BOMBAS ROTATORIAS. Estas bombas, como ya antes se dijo no tienen válvulas ni partes reciprocante; el movimiento del líquido es efectuado por la acción combinada de dos elementos giratorios semejantes a las ruedas dentadas.

Los elementos constructivos de que constan son: ➢ Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. ➢ El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba. Bombas de impulsor abierto, semiabierto y cerrado a) De álabes aislados (abiertos). b) Con una pared o disco lateral de apoyo (semiabiertos). c) Con ambas paredes laterales (cerrados).

1.1.2 Partes y características de una bomba CARCASA La carcasa es la parte de la bomba que cubre las partes internas de la misma. La función de la carcasa es convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual de área. IMPULSOR. El impulsor es el corazón de una bomba. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba. ANILLOS DE DESGASTE La función del anillo de desgaste es tener un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde, debido a las cerradas holguras que se producen entre el impulsor que gira y la carcasa fija, la presencia del desgaste 13

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 es casi segura. En esta forma, en lugar de tener que cambiar todo el impulsor o toda la carcasa, solamente se quitan los anillos, los cuales pueden estar montados a presión en la carcasa, el impulsor o en ambos. ESTOPEROS, EMPAQUES Y SELLOS La función de éstos es enviar el flujo hacia afuera, a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba. El estopero es una cavidad concéntrica con la flecha donde van colocados los empaques. Prácticamente en todos los estoperos se tendrá que ejercer una cierta presión para contrarrestar o equilibra la que ya existe en el interior de la bomba. Debido a la misma presión, se origina en la flecha una fricción bastante considerable con el consabido aumento de temperatura, por lo cual deberá procurarse un medio de lubricación y enfriamiento. Ello se logra mediante la introducción de una pieza que no se deforma, llamada jaula de sello. La cual tiene una forma acanalada y a la que se le hace llegar desde la misma carcasa o desde una fuente externa un líquido de enfriamiento. La presión de los empaques se efectúa por medio del prensaestopas, una pieza metálica que se mueve por medio de tornillos. FLECHAS. La flecha de una bomba es el eje de todos los elementos que giran en ella, transmitiendo además el movimiento que le imparte la flecha motor.

del

COJINETES El objetivo de los cojinetes es soportar la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Por medio de un correcto diseño soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba.

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 BASE La base de la bomba centrifuga debe estar fijada al suelo. Es en esta parte en la que está atornillada o soldada la bomba centrifuga con el fin de evitar vibraciones que si se produjesen destruirían la bomba. Todo el peso de la bomba descansa sobre esta parte de la bomba.

1.3CARACTERÍSTICAS Y COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA. En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda.

En general, estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica. La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Siendo así de una transformación de energía, como se muestra en el siguiente esquema

Funcionamiento La presa es una construcción que sirve para contener el agua y contener un embalse. El agua se libera por los desagües, que fluye por tuberías de conexión hasta la sala de máquinas (una vez filtrada); la energía cinética del agua acumulada se convierte en energía cinética de rotación de la turbina, que acoplada a un alternador de forma solidaria, genera energía eléctrica. La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

1.3.1 El Aprovechamiento de la energía hidráulica Las formas más frecuentemente utilizadas para explotar la energía hidráulica son:

Desvío del cauce de agua El principio fundamental de esta forma de aprovechamiento hidráulico de los ríos se basa en el hecho de que la velocidad del flujo de estos es básicamente constante a lo largo de su cauce, el cual siempre es descendente. Este hecho revela que la energía potencial no es íntegramente convertida en cinética como sucede en el caso de una masa en caída libre, la cual se acelera, sino que ésta es invertida en las llamadas pérdidas, es decir, la energía potencial se "pierde" en vencer las fuerzas de fricción con el suelo, en el transporte de partículas, en formar remolinos, etc... Entonces esta energía potencial podría ser aprovechada si se pueden evitar las llamadas pérdidas y hacer pasar al agua a través de una turbina. El conjunto de obras que permiten el aprovechamiento de la energía anteriormente mencionada reciben el nombre de central hidroeléctrica o Hidráulica.

Interceptación de la corriente de agua Este método consiste en la construcción de una presa de agua que retenga el cauce de agua causando un aumento del nivel del río en su parte anterior a la presa de agua, el cual podría eventualmente convertirse en un embalse. El dique establece una corriente de agua no uniforme y modifica la forma de la superficie de agua libre del río antes y después de éste, que toman forma de las llamadas curvas de remanso. El establecimiento de las curvas de remanso determina un nuevo salto geodésico aprovechable de agua.

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1.3.2 Tipos y características de centrales eléctricas Se puede obtener energía eléctrica de estas diferentes centrales 1. Hidroeléctricas 2. Termoeléctricas 3. Geotérmicas 4. Nucleares 5. Eólicas 6. Mareomotrices 7. Solares Aunque en México, las plantas más importantes son las hidroeléctricas, las termoeléctricas y en los últimos años las nucleares. Cabe destacar que de entre todas la Centrales Hidroeléctricas llevan una gran ventaja contra los otros tipos de centrales, tanto en lo económico como en lo ambiental, ya que las Hidroeléctricas utilizan el agua y la después del proceso la liberan por medio de desaguaderos hidráulicos. Aquí se ilustran algunas ventajas y desventajas que conllevan una Central Hidroeléctrica. Ventajas • No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita. • Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. • A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo. • Los costos de mantenimiento y explotación son bajos. • Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable. • La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

Desventajas • Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos. • El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía. • La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas. • La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año. 17

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Características de una central hidroeléctrica Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son: La potencia, que está en función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable, además de las características de las turbinas y de los generadores usados en la transformación. La energía garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada. La potencia de una central puede variar desde unos pocos MW (megavatios), como en el caso de las mini centrales hidroeléctricas, hasta 14.000 MW como en Paraguay y Brasil donde se encuentra la segunda mayor central hidroeléctrica del mundo (la mayor es la Presa de las Tres Gargantas, en China, con una potencia de 22.500 MW), la Itaipú que tiene 20 turbinas de 700 MW cada una. Las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas (que usan combustibles fósiles) producen la energía eléctrica de una manera muy similar. En ambos casos la fuente de energía es usada para impulsar una turbina que hace girar un generador eléctrico, que es el que produce la electricidad. Una Central térmica usa calor para, a partir de agua, producir el vapor que acciona las paletas de la turbina, en contraste con la planta hidroeléctrica, la cual usa la fuerza del agua directamente para accionar la turbina. Potencia de una central hidroeléctrica La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en Megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:

Donde: Pe = potencia en vatios (W) ρ = densidad del fluido en kg/m³ ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0,75 y 0,90) ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0,92 y 0,97) ηm = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0,95/0.99) Q = caudal turbinable en m3/s H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros m) En una central hidroeléctrica se define: Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible. 18

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central.

Tipos de centrales hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar de diferentes formas, ya sea por su construcción, la cantidad de agua que pueda ser utilizada para la generación de la energía eléctrica, así como también la forma en que el agua llega a ellas, algunas de las clasificaciones se muestran enseguida: Según su concepción arquitectónica • Centrales al aire libre • Centrales en caverna Según su régimen de flujo • Centrales de agua fluyente. • Centrales de embalse. • Centrales de regulación • Centrales de bombeo o reversibles Según su altura de caída del agua • Centrales de alta presión • Centrales de media presión • Centrales de baja presión • Centrales de muy baja presión SEGÚN SU CONCEPCIÓN ARQUITECTÓNICA Centrales al aire libre Están al pie de la presa, o relativamente alejada de esta. Están conectadas por medio de una tubería en presión. Centrales en caverna Generalmente están conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías en presión, o por la combinación de ambas. SEGÚN SU RÉGIMEN DE FLUJO Centrales de agua fluyente. Una central de agua fluyente es aquella en que no existe una acumulación apreciable de agua "corriente arriba" de las turbinas. En una central de este tipo las turbinas deben aceptar el caudal disponible del río "como viene", con sus variaciones de estación en estación, o si ello es imposible el agua sobrante se pierde por rebosamiento. Operan en forma continua porque no tienen capacidad para almacenar agua, no disponen de embalse. Turbinan el agua disponible en el momento, limitadamente a la capacidad instalada. Las características de este tipo de centrales son: 19

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 • No cuentan con reserva de agua • Gran caudal y pequeña altura • Potencia máxima en temporada de lluvias, mínima en tiempo seco Centrales de embalse. Es el tipo más frecuente de central hidroeléctrica. Utilizan un embalse para reservar agua e ir graduando el agua que pasa por la turbina. En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales. El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas. Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses, cosa que sería imposible en un proyecto de pasada. Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos. Las características de este tipo de centrales son: • Presa que acumula agua proveniente de grandes lagos o pantanos artificiales en embalse superior • Regulación del caudal • Gran altura, pequeño caudal • Producción variable según demanda Centrales de regulación Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales. Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Centrales de bombeo o reversibles Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos de un país. Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel a lo largo del día, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía. 20

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador. Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hace un reciclo productivo nuevamente. Para ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.

SEGÚN SU ALTURA DE CAÍDA DEL AGUA Centrales de alta presión Se encuentran incluidas en este apartado, aquellas centrales cuyo valor de salto hidráulico es superior a los 200 m (altura meramente orientativa), siendo relativamente pequeños los caudales desalojados, alrededor de 20 m3/s por máquina. Están ubicadas en zonas de alta montaña, donde aprovechan el agua de torrentes que suelen desembocar en lagos naturales. Se utilizan, exclusivamente turbinas Pelton y turbinas Francis, que reciben el agua a través de conducciones de gran longitud. Centrales de media presión Se consideran como tales, las que disponen de saltos hidráulicos comprendidos entre 200 y 20 m aproximadamente, desaguando caudales de hasta 200 m 3/s 21

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 por cada turbina. Dependen de embalses relativamente grandes, formados en valles de media montaña. Preferentemente, las turbinas utilizadas son de tipo Francis y Kaplan, pudiendo tratarse de turbinas Pelton para los saltos de mayor altura, dentro de los márgenes establecidos. Centrales de baja presión Se incluyen, en esta denominación, las que, asentadas en valles amplios de baja montaña, el salto hidráulico es inferior a 20 m, estando alimentada cada máquina por caudales que pueden superar los 300 m3/s. Para estas alturas y caudales, resulta apropiada la instalación de turbinas Francis y, especialmente, las turbinas Kaplan. Centrales de muy baja presión Son centrales correspondientes con nuevas tecnologías, pues llega un momento en el cuál las turbinas Kaplan no son aptas para tan poco desnivel. Serían en inglés las very low head, y suelen situarse por debajo de los 4m.

1.3.3 Principales componentes de una central hidroeléctrica Entre los componentes principales que conforman una central hidroeléctrica podemos identificar las siguientes: ➢ Presa ➢ Turbina ➢ Tubería forzada y o canal ➢ Generador ➢ Transformador ➢ Líneas eléctricas ➢ Válvulas y compuertas ➢ Descarga de fondo ➢ Embalse ➢ Casa de maquinas

Presa El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía. Es una construcción, normalmente de 22

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 hormigón, que se alza sobre el suelo del río y perpendicular a su dirección, con la finalidad de retener el agua, para elevarla a un nivel suficiente y formar un embalse. Dependiendo de las características orográficas y de su emplazamiento, se escogerá entre una configuración u otra. Tipos de Presas Según su estructura:  Presa de gravedad  Presa de arco  Presa de bóveda o de doble arco  Presa de arco-gravedad  Presa de contrafuertes o aligerada.  Presa de bóveda múltiple. Según sus materiales:  Presas de hormigón  Presas de materiales sueltos  Presas de enrocamiento con cara de hormigón Presas de Gravedad Depende por completo de su propio peso para su estabilidad, es decir, las presas de gravedad son presas que resisten el empuje horizontal del agua totalmente con su peso propio. Su perfil es en esencia triangular, para asegurar estabilidad y evitar esfuerzos excesivos en la presa o su cimentación. Las presas de gravedad hechas en concreto por lo general se utilizan para bloquear corrientes de agua a través de gargantas estrechas. A causa de que su peso es el que sostiene el agua del embalse, las presas de gravedad hechas de concreto tienden a usar grandes cantidades de concreto, lo cual puede ser costoso. Pero muchos prefieren su apariencia sólida en lugar de las presas de arco o contrafuerte, que son más delgadas. Las presas de gravedad pueden ser construidas con llenos de tierra o roca o con concreto. También pueden estar hechas con concreto, las cuales suelen ser muy costosas porque requieren de mucho material para su elaboración. Generalmente la base de una presa de gravedad hecha de concreto es aproximadamente igual a 0.7 veces su altura: b = 0,7 * h Presas de Arco

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Tienen una considerable curvatura aguas arriba, de la cual depende su resistencia. La forma natural del arco (curva) sostiene el agua en el embalse. Estructuralmente trabajan como un arco horizontal, transmitiendo la mayor parte de la carga a los estribos o laderas del valle y no al lecho del valle. En términos estructurales la presa de arco es más eficiente que las presas de gravedad o las de contrafuerte, al reducir de manera considerable el volumen de concreto requerido, puesto que son más delgadas. El mejor diseño de una presa de este tipo es en el cual se tienen un arco doblemente curvado. Por lo general las presas de arco están hechas de concreto y son convenientes en casos en los que se tienen gargantas estrechas con estribos fuertes, es decir, son más adecuadas en localidades estrechas y rocosas. La mayoría de las veces la garganta tiene forma de V, aunque en algunos casos menos frecuentes, ésta tiene forma de U. Las presas de arco generalmente se clasifican en:Delgada: b/h < 0,2 • Media: 0,2 < b/h < 0,3 • Gruesa: b/h > 0,3 Presas de Bóveda Es una derivación particular de la presa de arco simple y también se le conoce como presa de arco de doble curvatura. La presa de bóveda emplea curvaturas complejas tanto en los planos verticales como en los horizontales. Es la más sofisticada de las presas de concreto y su estructura es en esencia un dono o concha, sumamente económica en concreto. La estabilidad de los estribos es importante para la integridad estructural y la seguridad de este tipo de presa. Presas de Arco-Gravedad Combina características de las presas de arco y las presas de gravedad y se considera una solución de compromiso entre los dos tipos. Tiene forma curva para dirigir la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un cañón o un valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Además, el muro de contención tiene más espesor en la base y el peso de la presa permite soportar parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa menor volumen de relleno que una presa de gravedad. 24

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Presas de Contrafuerte El concepto estructural de las presas de contrafuerte consiste en un paramento continuo aguas arriba soportado a intervalos regulares por un contrafuerte aguas abajo. En otras palabras, en las presas de contrafuerte la cara de la presa está sostenida por un conjunto de soportes que refuerzan la presa en el lado aguas abajo. Las presas de contrafuerte pueden tomar muchas formas: la cara puede ser plana o curva. Por lo general, las presas de contrafuerte están hechas de concreto y pueden estar reforzadas con varillas de acero (concreto reforzado). El contrafuerte puede ser hueco o sólido. Las presas de contrafuerte macizo o de cabeza sólida, son las variantes modernas más notables de este tipo y, para propósitos conceptuales, pueden considerarse como una versión aligerada de la presa de gravedad. Las presas de contrafuerte generalmente necesitan sólo de un tercio a la mitad de la cantidad de concreto, en relación con las presas de gravedad de altura similar, pero no necesariamente son menos caras debido a la mayor cantidad de formas y de acero de refuerzo necesario. Como una presa de contrafuerte es menos masiva que una presa de gravedad, las cargas de la cimentación son menores y por lo tanto una presa de contrafuerte puede utilizarse en cimentaciones que son demasiado débiles para apoyar una presa de gravedad. Presas de bóveda múltiple Es una derivación particular de la presa de arco simple y también se le conoce como presa de arco de doble curvatura. La presa de bóveda emplea curvaturas complejas tanto en los planos verticales como en los horizontales.

Turbinas Una turbina hidráulica es una turbo máquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una Central hidroeléctrica.

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Las turbinas hidráulicas, junto con los molinos de viento, son las turbo máquinas más antiguas que existen. Se puede explicar su antigüedad por la gran disponibilidad geográfica de las cuencas hidrológicas, siendo los viejos molinos de agua un lugar común. Las turbinas comúnmente usadas en una Central Hidroeléctrica son las siguientes:  Turbina Kaplan  Turbina Pelton  Turbina Francis Turbinas Kaplan Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta. Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una hélice, mientras que los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son regulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las turbinas Kaplan son de admisión radial, mientras que las Semi-Kaplan pueden ser de admisión radial o axial. Turbinas Pelton Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbo máquina motora, de flujo transversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas. Turbinas Francis 26

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbo máquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas. Generador eléctrico Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Están basados en la ley de Faraday. Un generador es una máquina eléctrica que realiza el proceso inverso que un motor eléctrico, el cual transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. Embalse Se denomina embalse a la acumulación de agua producida por una obstrucción en el lecho de un río o arroyo que cierra parcial o totalmente su cauce. La obstrucción del cauce puede ocurrir por causas naturales como, por ejemplo, el derrumbe de una ladera en un tramo estrecho del río o arroyo, la acumulación de placas de hielo o las construcciones hechas por los castores, y por obras construidas por el hombre para tal fin, como son las presas. 27

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011

Compuerta Hidráulica Una compuerta hidráulica es un dispositivo hidráulico-mecánico destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Principales tipos de compuertas Para canales, presas, esclusas y obras hidráulicas de envergadura los principales tipos de compuertas son: • Compuerta tipo anillo • Compuerta tipo basculante, también denominada clapeta o chapaleta • Compuerta tipo cilindro • Compuerta tipo esclusa • Compuerta tipo lagarto • Compuerta tipo rodante • Compuerta tipo sector • Compuerta tipo segmento • Compuerta tipo Stoney • Compuerta tipo tambor • Compuerta tipo tejado • Compuerta tipo vagón • Compuerta tipo visera • Compuerta tipo Stop Log • Compuertas automáticas para control de nive

Transformadores Se denomina transformador o trafo (abreviatura), a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o 28

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Vertedores o Aliviaderos Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie. La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego. Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguación. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.

Tomas de agua Las tomas de adecuadas el líquido para máquinas por tuberías. 29

agua son construcciones que permiten recoger llevarlo hasta las medios de canales o

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 La toma de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.

Canal de derivación El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con conducción forzada siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la turbina. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua de las presas.

Casa de Maquinas Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando. La casa de máquinas suele estar al pie de la presa. Representación de una casa de maquina Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la turbina se hace por medio de una cámara construida en la misma presa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 1. Embalse 2. Presa de contención 3. Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja 4. Conducto de entrada del agua 5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas". 6. Turbina hidráulica 7. Alternador 8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina 9. Puente de grúa de la sala de máquinas. 10. Salida de agua (tubo de aspiración 11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas" 12. Puente grúa para maniobrar compuertas salidas.

13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada.

Desagüe de Fondo Se denomina descarga de fondo a una estructura hidráulica, asociada a las presas hidráulicas. Su función puede ser:  garantizar el caudal ecológico inmediatamente aguas abajo de una presa;  permitir el vaciado del embalse para efectuar operaciones de mantenimiento en la presa;  reducir el volumen de material sólido depositado en proximidad de la presa. Dado que el agua sale de la presa con una presión considerable, si el chorro no es controlado adecuadamente puede provocar erosiones localizadas peligrosas para la 31

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 estabilidad de la presa misma. Por ese motivo las descargas de fondo siempre están equipadas con disipadores de energía

Líneas de Transmisión La red de transporte de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de grandes distancias la energía eléctrica generada en las centrales eléctricas. Para ello, los niveles de energía eléctrica producidos deben ser transformados, elevándose su nivel de tensión. Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar la tensión se reduce la corriente que circulará, reduciéndose las pérdidas por Efecto Joule. Con este fin se emplazan subestaciones elevadoras en las cuales dicha transformación se efectúa empleando transformadores, o bien autotransformadores. De esta manera, una red de transmisión emplea usualmente voltajes del orden de 220 kV y superiores, denominados alta tensión, de 400 o de 500 kV. Parte de la red de transporte de energía eléctrica son las líneas de transporte. 1.3

DISPONIBILIDAD DE HIDROELÉCTRICOS EN MÉXICO.

RECURSOS

En México, la capacidad instalada termoeléctrica duplica a la hidroeléctrica. Esto se ha debido a que por razones de necesidad urgente, se recurrió a instalar termoeléctricas, aun habiendo muchas posibilidades de explotación hidráulica. La ventaja es que las térmicas pueden entrar en operación en mucho menos tiempo que las hidráulicas. También cuenta con 4.000 presas y otros tipos de infraestructura hidráulica con una capacidad de almacenamiento de 180km3, que representa el 44% del caudal anual. En las regiones áridas, las presas se utilizan generalmente para riego. En las regiones húmedas, las presas se utilizan generalmente para generación de electricidad. En México, las presas también representan un medio para la protección ante inundaciones. México cuenta con aproximadamente 70 lagos con una capacidad de almacenamiento de 14km3. El más grande, tiene una capacidad de almacenamiento de 8126hm3. Sin duda el lago de Chapala es un embalse natural situado principalmente en el estado de Jalisco aunque también comparte ribera con algunos municipios de Michoacán. Es el más grande de México al contar con 1112 km², con una profundidad de aproximadamente 9 metros. Algunos principales lagos y capacidad de almacenamiento: 32

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011

Lago

Superficie de la Capacidad de Ente federal cuenca fluvial km² almacenamiento hm³

Chápala

1116

8126

Jalisco Michoacán

Cuitzeo

306

920

Michoacán

Patzcuaro

97

550

Michoacán

Yuriria

80

188

Guanajuato

Catemaco

75

454

Veracruz

16

Morelos

Tequesquiteng 8 o

y

Nabor Carrillo 10 12 México Fuente: CONAGUA México cuenta con una extensión superficial de aproximadamente 2 Millones de Km2, sin embargo, cerca del 50% de esta superficie es de terrenos montañosos y el 50% restante le corresponde a terrenos de topografía más o menos plana. Y es en éstas áreas, donde se encuentran asentados los grandes núcleos poblacionales y se desarrollan la mayor parte de las actividades económicas. Para dichas labores, han sido de vital importancia los recursos hidrológicos. Sin embargo, la distribución del agua en el territorio nacional es irregular, debido a la gran diversidad fisiográfica y climática. La precipitación media en el territorio nacional es de 775 mm, equivalentes a 1,513 km3 (Comisión Nacional del Agua, 2008). De esta cantidad, 1,084 km3 se evapotranspiran y el escurrimiento superficial medio es de 400 km3, de los cuales se aprovechan 47 km3. Es importante señalar que México recibe de Estados Unidos y Guatemala 50 km3, y exporta hacia Estados Unidos 0.44 km3 de acuerdo con el Tratado de Aguas de 1944. Por otro lado, los acuíferos reciben una recarga de 78 km3 y se les extraen 28 km3. Se considera que el 50 % del escurrimiento anual total se concentra en los ríos más caudalosos ubicados en el sureste del país, cuya región hidrológica comprende sólo el 20 % de la superficie total del territorio. De esta forma, el agua se encuentra disponible en escurrimientos superficiales, cuyo volumen promedio se estima en 410,164 millones de m3 anuales. Estos escurrimientos se distribuyen en 320 cuencas hidrológicas, en la vertiente del Pacífico, las cuencas más importantes son las de los ríos Yaqui, Fuerte, Mezquital, Lerma, 33

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Santiago y Balsas; y en la vertiente del Golfo de México, sobresalen las de los ríos Bravo, Pánuco, Papaloapan, Grijalva y Usumacinta. Balance hídrico nacional.

1.4.1 El agua como recurso disponible DISPONIBILIDADES Y EXTRACCIONES DE AGUA POR REGIÓN ADMINISTRATIVA, PARA FINES DE PLANTACIÓN

Medias históricas anuales

Compendio Básico del Agua en México, 2001; se presenta el cuadro “Disponibilidad y Usos del Agua por Región Administrativa, para fines de planeación”, que es el soporte de la figura anterior. De ese cuadro, se reproduce a continuación las columnas de disponibilidad, escurrimiento, recarga y extracción de dicho cuadro, para que el lector pueda 34

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 comprobar que en este cuadro, la disponibilidad natural base media (columna 1), es la suma del escurrimiento superficial virgen medio (columna 2) mas la recarga media de acuíferos (columna 3). Todas las cantidades son para un periodo de tiempo de un año.

FUENTE: “COMPENDIO BÁSICO DEL AGUA 2001”. CNA. ENERO 2001 Se puede observar que este cuadro no se toma en cuenta la calidad del agua, ni las variaciones en cantidad que presentan los cuerpos de agua. En cantidad simplemente suma el escurrimiento de todo el año y la recarga media de acuíferos, para obtener el valor señalado como disponibilidad natural base media; no toma en cuenta la variación del escurrimiento superficial a lo largo del año, no señala el efecto de la capacidad de almacenamiento de agua superficial. Usos del agua. El 77 % del agua se utiliza en la agricultura, 14 % para abastecimiento público, 5 % para generación de energía por medio de plantas termoeléctricas y 4 % para la industria (Figura 2). Sin embargo, existen tres características que limitan este aprovechamiento:

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011

Los Problemas que afectan la disponibilidad de agua en el país son: • Contaminación difusa aportada por ciudades y zonas agrícolas. • Contaminación puntual. • Operación de plantas de tratamiento. • Administración del agua: existe sobre concesión en las cuencas y los acuíferos; no se clausuran tomas ilegales; la invasión de cauces, vasos y zonas federales. Las Propuestas de solución ante la escasez y contaminación del agua Es necesario también tomar en cuenta las propuestas hechas para los organismos operadores de agua potable y saneamiento; incrementar el tratamiento de las aguas residuales y su reuso en forma sustentable técnica y económica, y lograr que el tratamiento de las aguas residuales esté en la agenda de las instancias federal, estatal y municipal. Así también como el control en la operación y eficiencia de plantas de tratamiento de aguas residuales, En el inventario de plantas de tratamiento (Comisión Nacional del Agua, 2009), se reporta que en 2008 había 2,174 plantas, y que de ellas operaban 2,082, con un gasto de tratamiento de 33,778 m3/s, que es 59.5% de la capacidad instalada. Para poder tener un control en nuestro recurso necesitamos establecer un balance, donde todas las necesidades estén cubiertas y bien distribuidas.

Propuesta de balance hídrico nacional

Reuso y Circulación: Cuando se trate 60% del total de las aguas municipales, y en una etapa posterior se haga lo mismo con las aguas no municipales, e incluso cuando se incremente el porcentaje de aguas residuales colectadas, se 36

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 podría contar con una importante cantidad de agua para reusar en la industria o en el riego. Agua Virtual: Es la cantidad de líquido que se utiliza o integra a un producto, en la actualidad podemos calcular el agua virtual, con esa información podemos saber que países exportan o consumen mayor cantidad de agua virtual. Desalación de Agua: La desalación es una tecnología que se utiliza en México desde hace mucho tiempo, sobre todo en zonas turísticas donde el agua escasea, como Cancún, en Quintana Roo, Acapulco, en Guerrero, y Los Cabos, en Baja California Sur (abastece a una población de 40 mil habitantes).Incluso se construyen para uso agrícola donde el valor económico de los cultivos así lo permite (por ejemplo, vid o flores). Actualmente se analiza la posibilidad de utilizar agua desalada para grandes proyectos de desarrollo entre México y Estados Unidos. Humedad del Suelo: Fuente que se utiliza pero que pocas veces se cuantifica es la humedad del suelo. Es importante que se hagan evaluaciones más precisas de este recurso, para hacer una mejor planeación del uso eficiente del agua.

1.4.2 Disponibilidad y problemas del agua en nuestra región

Está conformada por los estados de Chiapas y Tabasco, así como áreas pequeñas de Campeche y Oaxaca. Tiene una superficie de 101 700 km2, 5% del territorio nacional, un clima predominante cálido – húmedo, una temperatura media anual de 24°C, una precipitación media anual cuyo valor es de 2 258 mm, y que llega a sobrepasar los 4 000 mm en la sierra de Chiapas, una de las más altas precipitaciones del país. En el 2000 se alcanzó una población de 5.8 millones de habitantes, y en ella se ubican ciudades de más de 50 000 habitantes, como Villahermosa y Cárdenas en Tabasco, Tapachula, Tuxtla Gutiérrez, San Cristóbal y Comitán en Chiapas; y 37

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 más de 15 000 localidades rurales dispersas, 80% en Chiapas, que alojan a 52% de los habitantes de la región, lo que dificulta el suministro de servicios. Se estima que para el año 2025 la población ascenderá a 7.5 millones de habitantes de los cuales solo el 54% se ubicara en zonas urbanas. Precipitación media anual de la región XI frontera sur, en mm:

Los Problemas centrales con la cantidad y calidad del recurso en la región son: •

Deficiente cobertura de agua potable, alcantarillado y saneamiento en localidades urbanas. • Rezago en los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento del medio rural. • Bajo aprovechamiento y manejo deficiente del agua superficial. • Vulnerabilidad ante siniestros por inundación • Contaminación de corrientes superficiales La situación específica de la región con relación al resto de las regiones del país se caracteriza por ser una de las zonas con mayores rezagos; sus niveles de cobertura de agua potable, alcantarillado y saneamiento son muy bajos y existe una gran degradación acelerada del medio ambiente y una vulnerabilidad ante la ocurrencia de ciclones tropicales en las zonas bajas. Para aprovechar este recurso, en México se cuenta con un sistema de obras hidráulicas para almacenamiento de 125,000 millones de m3, y los lagos y lagunas tienen una capacidad de almacenamiento de 14,000 millones de m3 que en total corresponde al 34 % del escurrimiento anual. De la capacidad total de almacenamiento de agua en presas, el 33 % se utiliza para riego principalmente en las regiones semiáridas del norte y el 37 % se usa en la generación de energía eléctrica, principalmente en el sur del país; y el resto para otros usos (Lomelí, 2006). 1.4.3 Fuentes disponibles de energía eléctrica

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 El sector eléctrico en México se considera estratégico para la soberanía nacional. Por lo tanto, hay ciertas limitaciones para la participación privada y se permite a las empresas extranjeras operar en el país sólo a través de contratos de servicio específicos. Según establece la Constitución, el sector eléctrico es de propiedad federal y es la Comisión Federal de Electricidad (CFE) quien controla esencialmente todo el sector. Los intentos de reformar el sector se han enfrentado tradicionalmente a una gran resistencia política y social en México, donde los subsidios para consumidores residenciales absorben considerables recursos fiscales. El sector eléctrico en México se basa en gran medida en fuentes: • Eólicas • Térmicas o termoeléctricas • Hidroeléctricas • Geotérmicas • Nucleares Fuente eólica Representa el 0.17% de la producción de energía en nuestro país. La producción de energía eólica todavía es muy limitada en México aunque se estima que el potencial del país se encuentra por encima de 40.000 MW. 13 La CFE cuenta con dos plantas eólicas en funcionamiento, La Venta y Guerrero Negro, que tienen una capacidad combinada de 3 MW. El potencial eólico en el estado de Oaxaca es de 33.200 MWe. Otros estados con potencial eólico son Zacatecas, Hidalgo y Baja California. La ventosa (izquierda) y Guerrero negro (derecha) Fuentes térmicas o termoeléctricas Representa el 48 % de la producción de energía en México. Es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbono. Contribuye a la contaminación por la liberación de dióxido de carbono. Samalayuca, chihuahua

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Mexicali

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011

Fuente nuclear La Central Nuclear de Laguna Verde es una central nuclear de generación eléctrica, cuenta con 2 unidades generadoras de 682.5 MW eléctricos cada una. Situada en Alto Lucero de Gutiérrez Barrios (Veracruz, México). Con la certificación del organismo regulador nuclear de México, la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardas (CNSNS), la Secretaría de Energía otorgó las licencias para operación comercial a la unidad 1 el 29 de julio de 1990 y a la unidad 2 el 10 de abril de 1995. La central es propiedad de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Hasta ahora, es la única central nuclear en México.

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Fuente solar El potencial solar de México es el tercero más grande del mundo. Se estima que el potencial solar bruto del país es de 5 KWh/m2 diarios, que corresponde a 50 veces la generación eléctrica nacional.15 En 2005 había 328.000 m2 de paneles de energía solar térmica y 115.000 m2 de módulos de energía solar PV (fotovoltaico) instalados en México. Se espera que la capacidad instalada en 2013 sea de 25 MW, con una generación de 14 GWh al año. Fuente geotérmica Representa el 1.92% de la producción de energía. México tiene un gran potencial geotérmico debido a su intensa actividad tectónica y volcánica. Ocupa el tercer lugar en la escala mundial de producción de energía geotérmica. En 2006, la capacidad geotérmica instalada era de 980 MW y la producción total fue de 6,71 TWh. Existen cuatro campos geotérmicos actualmente en funcionamiento: Cerro Prieto, Los Azufres, Los Humeros y Las Tres Vírgenes. El potencial estimado es de 217 MW para los campos que producen activamente y de 1.500 MW para los campos aún no desarrollados. Energía de la biomasa Se conoce como biomasa energética al conjunto de materia orgánica, de origen vegetal o animal. México también cuenta con un gran potencial para producir energía a partir de biomasa. Se estima que, teniendo en cuenta los residuos agrícolas y forestales con potencial energético y los residuos sólidos urbanos de las diez principales ciudades, el país tiene una capacidad potencial de 803 MW y podría generar 4.507 MWh al año.

Fuente hidroeléctrica En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda. 41

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 En general, estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica. Aproximadamente el 22% de la electricidad producida en México proviene de recursos hidroeléctricos. La mayor planta hidroeléctrica de México es Manuel Moreno Torres, en Chicoasén, Chiapas, con 2.300 MW. Ésta es la cuarta planta de energía hidroeléctrica más productiva del mundo. La planta hidroeléctrica el Cajón, con 750 MW, que se encuentra ubicada en Nayarit y que comenzó a funcionar en noviembre del 2006, es el último proyecto de gran envergadura finalizado, actualmente el gran proyecto a un no finalizado es LA YESCA. La sociedad cree en este tipo de fuente de generación de energía eléctrica ya que las externalidades que provocan generan un crecimiento económico en las zonas, garantizando el suministro del recurso eléctrico, creciendo la seguridad al evitar inundaciones, promoviendo el turismo, la recreación (deportes acuáticos), la pesca, las vías de comunicación, entre otros. ¿Cuántas Plantas Hidroeléctricas tiene México en operación? En México hay 64 Centrales Hidroeléctricas, de las cuales 20 son de gran importancia y 44 son centrales pequeñas Actualmente 57 plantas hidroeléctricas están produciendo energía eléctrica y 7 centrales hidroeléctricas están fuera de servicio. Esta información está actualizada hasta el 29 de mayo de 2009. 1.4.4 Plantas Hidroeléctricas en Chiapas }El rio Grijalva, uno de los gigantes mexicanos por su caudal hidráulico, ha proporcionado a nuestra Patria hasta hoy, el 40.02% de la generación anual de energía hidroeléctrica. Comisión Federal de Electricidad, fuente del dato anterior, ha hecho estudios de factibilidad para construir en la misma cuenca, otros sistemas y dado lo positivo de ello, se incrementara el porcentaje mencionado. Con los complejos Angostura (Dr. Belisario Domínguez) que produce 1080 MWh; Chicoasén (Ing. Manuel Moreno Torres) productora de 5580 GWh; Malpaso (Nezahualcóyotl) generando 2754 GWh y Peñitas (Ángel Albino Corzo) dotando al sistema 1912 GWh, el rio Grijalva se ha convertido en la cuenca de la que mayor explotación de energía, obtiene el país. El majestuoso Grijalva que en su trayectoria ha brindado diversión y sustento a muchos pueblos, haciendo feraces las tierras de sus riberas con sus grandes avenidas, ahora nos otorga, gracias a la tecnología e ingenio del hombre, la posibilidad de usar energía renovable, que no daña al medio ambiente, y por 42

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 tanto no perjudica la salud de los seres vivientes, como aun sucede con las llamadas, energía no renovables. La hidroenergia de los ríos es productora de energía limpia y los embalses de los complejos hidroeléctricos construidos en ellos, colaboran en la conservación del hábitat de muchas especies animales; por esto sería ideal la producción energética, teniendo como energía primaria el agua, sin embargo esto no siempre es posible aun habiendo ríos, por la necesidad de cañones para construir las cortinas. La población actual de nuestro planeta no subsistirá con las características de hoy, si no utilizáramos electricidad, de ello deriva el deseo de la humanidad de encontrar nuevas energías primarias, para crear más energía eléctrica. Las prospectivas del sector eléctrico mexicano, son necesarias debido a que nos darán a conocer el mercado y en base a ello, saber que producción de electricidad debe tener el País. Algunas centrales hidroeléctricas de nuestro estado: Nombre de la central

Número de unidades

Fecha de entrada en operación

Capacidad efectiva instalada (MW)

Ubicación

Aguamilpa Solidaridad

3

15-Sep-1994

960

Tepic, Nayarit

Ambrosio Figueroa (La Venta)

5

31-May-1965

30

La Venta, Guerrero

Ángel Albino Corzo (Peñitas)

4

15-Sep-1987

420

Ostuacán, Chiapas

Bacurato

2

16-Jul-1987

92

Sinaloa de Leyva, Sinaloa

Bartolinas

2

20-Nov-1940

1

Tacámbaro, Michoacán

Belisario Domínguez (Angostura)

5

14-Jul-1976

900

Venustiano Carranza, Chiapas

1.4.5 La central hidroeléctrica más importante de México Una de las presas mas importante en nuestro estado y también en nuestro país es: La Central hidroeléctrica Manuel Moreno Torres (Chicoasén)

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UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011 Está ubicada sobre el río Grijalva en el municipio de Chicoasén, Chiapas. Esta central hidroeléctrica lleva también el nombre del Ing. Manuel Moreno Torres, quien fue Director General de CFE durante el sexenio del presidente Adolfo López Mateos (1958-1964).La tecnología hidroeléctrica requiere de la construcción de presas, una casa de máquinas para instalar los equipos electromecánicos (turbina, generador eléctrico, transformadores), y un cuarto de control para la operación de la central. Estas instalaciones deben estar debajo del fondo de la base de la cortina de la presa, con la finalidad de aprovechar la energía potencial del agua. El agua de la presa es conducida por una tubería hasta el rodete de la turbina hidráulica. La fuerza del agua hace girar las aspas de la turbina transformando la energía potencial del agua en energía cinética, que se transforma en energía mecánica. La turbina tiene acoplado un generador CARACTERÍSTICA eléctrico, que transforma la energía mecánica en eléctrica. 395.00 m.s.n.m. Elevación del labio Casa de maquinas S central (FICHAcuenta con cinco unidades turbogeneradoras La de 300 MW cada una, superior compuertas Nivel de agua máximo Tipo TÉCNICA) para una capacidad instalada total de 1,500 MW. Estas unidades entraron en de operación (NAMO) 394.00 m.s.n.m. Subterránea operación comercial en distintos meses de 1980 y 1981. Hidrología 392.00 m.s.n.m. Gasto máximo Actualmente cuenta con 8 unidades generadoras de 300 MW cada Dimensión una, con de ancho (Avenida de diseño) Área total de la de agua lo que la central cuentaNivel desde juniomínimo de 2004 con una capacidad instalada de 20.50 M 3 cuenca de operación 17,400 m /seg. 2,400 MW. Dimensión de largo 7 940 Km2 generada es(NAMINO) La energía transportada a través Desfogue de diez líneas de transmisión: 380.00 199.00 en M seis a 400 KV medio y cuatro de 115 m.s.n.m. KV. La mayoría Compuertas de las líneas de alta tensión Escurrimiento anual 400 KV envían el fluido eléctrico la Ciudaddeslizantes de Veracruz, central en altura Capacidadhacia total al (No.-yhel x área Dimensión NAME a) 3 del país, con un enlace a la Central Hidroeléctrica La Angostura, en el máxima. 1,347 mill. m 3 municipio de Venustiano1,705 Carranza, mill. mChiapas. 10 - 9.28 x 4.55 M 43.00 M Gasto medio anual 413.74 M3/seg Gasto máximo registrado 6,214 M3/seg. Cortina Tipo Enrocamiento Elevación de la corona 402.00 m.s.n.m. Longitud de la corona

Capacidad de control de avenidas 69.88 mill. m3 Capacidad útil para generar 270 mill. m3 Obra de excedencias Elevación de la cresta 373.00 m.s.n.m Longitud total de la cresta 75.60 M

Elevación media 205.07 m.s.n.m. Conducción Conductos (No. y diámetro)

262.00 M

15,000 m /seg.

Volumen total

Compuertas radiales

2 - 270/40 ton Turbinas No. - tipo

8 - 6.70 M

5 - Francis

Longitud total

Marca

235.00 M

Mitsubishi

Inclinación

Potencia

52°

300 MW

Obra de toma

Gasto de diseño

584.00 M de tomas 44 Ing. .civil| HIDRÁULICA DE MAQUINARIA Número Y DEL FLUJO NO Gasto máximo PERMANENTE de descarga total Altura máxima 8 3

Grúas viajeras (No. Capacidad)

Gasto máximo por toma

186.70 m3/seg. Velocidad de rotación 163.64 r.p.m.

UNIDAD 1. Aspectos generales Julio de 2011

CONCLUSIÓN

Las centrales hidroeléctricas son tan importantes en nuestro país, ya que gracias a la energía eléctrica que se produce por estas se pueden realizar trabajos en grandes empresas y fábricas, como las empresas automotrices, de comidas enlatadas, tortillerías, entre muchas más. Tenemos la gran fortuna que en nuestro estado tengamos el paso de grandes ríos como el Grijalva que gracias a su caudal en Chiapas tenemos varias presas, que aporta una gran parte de la energía eléctrica a nuestro país. Las centrales hidroeléctricas dan abasto a toda una sociedad con sus ventajas y nos dan satisfacción y seguridad en nuestras labores. También son la mayor estructura que nos ayudan en la generación de energía eléctrica apoyándose de una fuerza o estabilidad hidráulica, conllevando todo un proceso para su generación. Durante el desarrollo del tema hablamos que, para el transporte y manejo del fluido se necesita entender varios conceptos de los fenómenos que pasa con el agua, para poder almacenar al agua, ya sea para distribuir o usar para generar energía eléctrica se necesita los dispositivos, equipos mecánicos, es obvio que estos equipos toman en cuenta el comportamiento del agua en un determinado espacio y tiempo 45

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por ejemplo la potencia , la energía que fluye al agua, la velocidad entre otras. Estos mismos, son tomados en cuenta en una central hidroeléctrica, en una central de distribución de agua potable, en un sistema de y riego etc. Cabe mencionar que nuestro país afortunadamente tiene un gran reconocimiento en la construcciones de presas y centrales hidroeléctricas, por lo tanto el entendimiento de estos obras ingenieriles no es muy difícil, ya que se ubica en los 10 primeros lugares del mundo en la generación n de energía eléctrica por con centrales hidroeléctricas. Por otra parte, la energía hidráulica es la fuente más apropiada y una de las mejores que no dañan nuestro medio ambiente y que es renovable, una fuente que jamás se acabara hasta que el ser humano lo permita. Por eso mismo, es una de los beneficios que nos da la naturaleza.

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