Optimización de Redes de Tuberías y Turbinas Hidráulicas: Cálculo y Aplicaciones

Redes Malladas y Ramificadas

Las redes malladas y ramificadas son sistemas de tuberías que se conectan entre sí formando una trama. Cada punto de la red puede alimentarse por ambos lados.

Ventajas de las Redes Malladas

• Mejor reparto de presiones.
• No hay fluido estancado.
• Mayor garantía de servicio.

Cálculo de Redes Malladas

Existen dos métodos principales para el cálculo de redes malladas:

• Leyes de Kirchhoff: Se basan en los siguientes principios:
  • En cada nudo, la suma de caudales entrantes es igual a la suma de caudales salientes (Qe - Qs = 0).
  • La pérdida de carga total en un circuito cerrado es nula (hr1 + hr2 - hr3 - hr4 = 0).
  • Hk = Vk * Qkⁿ (se utiliza para que el rendimiento hidráulico sea constante), donde:
    • n = 1: Régimen laminar.
    • n = 2: Régimen con dominio de rugosidad.
    • 1.85 < n < 2: Régimen turbulento con influencia del número de Reynolds.
• Método de Hardy Cross: Este método iterativo se describe a continuación:
  1. Se corrige el caudal con un ΔQ en cada malla y se calculan otros caudales que cumplan las leyes de mallas (ΔQ = ...).
  2. Se repite el proceso hasta que los valores de los caudales correctores sean muy bajos.
  3. Una vez obtenidos los caudales, se calculan las presiones en todos los nudos.

Redes Ramificadas

Tienen la característica de un árbol. Hay un tronco que arranca desde el depósito (tubería principal), de donde parten las secundarias que a su vez alimentan a las terciarias. El flujo circula en un mismo sentido. Solo será útil en poblaciones pequeñas.

Ventajas de las Redes Ramificadas

1. Fáciles de calcular.
2. Menor tendido: más baratas, aunque hay que utilizar diámetros mayores.

Inconvenientes de las Redes Ramificadas

• Una rotura corta el suministro aguas abajo.
• El fluido en los extremos queda estancado.

Turbinas Pelton

La turbina Pelton es una turbomáquina motora, de flujo radial, admisión parcial y de acción. Su rotor, dotado de cucharas, produce energía a partir de un chorro de agua que incide sobre estas. Las turbinas Pelton se usan en grandes saltos hidráulicos (entre 100 y 1800 m) de bajo caudal, estando las centrales hidroeléctricas dotadas con este tipo de turbina con una larga tubería llamada galería de presión que transporta el fluido desde grandes alturas.

La transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética tiene lugar en órganos fijos (toberas o inyectores). Las hay de 1 o 2 inyectores (eje horizontal) y de 3, 4, 5 o 6 inyectores (eje vertical). Existen turbinas Pelton de muy diversos tamaños. Hay turbinas de varias montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más pequeñas se usan en equipamientos domésticos. El número de revoluciones puede variar entre 10 y 75 revoluciones por segundo, aunque lo óptimo es de 20 por inyector. Estas turbinas pueden generar hasta 200 MW.

Aceros de Gran Resistencia (F-120, F-130)

Características

Cuanto mayor es la cantidad de elementos de aleación, mayor es la templabilidad. Los aceros de gran resistencia son mejores que los aceros al carbono. Los elementos de aleación son menores al 2.1% y se usan para desplazar el diagrama TTT. La dureza depende del contenido en carbono y del porcentaje de martensita revenida (mejor combinación de resistencia, tenacidad y resistencia a la fatiga).

Tratamientos Térmicos (TT)

Temple, revenido y recocido de ablandamiento. Se pueden templar piezas de gran espesor (> 80 mm) gracias a la adición de Cr, Ni y Mo, que aumentan la templabilidad y limitan el crecimiento de austenita.

Ventajas e Inconvenientes

• Ventajas: Posibilidad de templar piezas de gran sección, posibilidad de enfriar en aceite y aire, mayor margen de temperatura para calentar y enfriar.
• Inconvenientes: Difíciles de elaborar y eliminar inclusiones, precio elevado.

Tratamientos Térmicos Específicos

• Recocido de ablandamiento (650 ºC, enfriar en aire).
• Temple (A3 + 50 ºC) (enfriar en aceite).
• Revenido duro (550 ºC) y tenaz (650 ºC), enfriar en aire y aceite.

Elementos de Aleación

C (0.25-0.4), Mn (0.4-0.9), Si (0.1-0.35), Cr (0.3-3.5), Mo (0.2-0.6), Ni (0.6-4.5).

Ensayo Jominy

Es un ensayo de temple donde se ve la evolución de la dureza en función del espesor. A mayor porcentaje de elementos de aleación, mayor templabilidad.

Clasificación

UNE F-120, F-130, F-121 (acero al cromo-níquel), F-122, F-123, F-124 (acero al Cr-Ni), F-124, F-125 (acero al Cr-Mo), F-131 (acero al Cr-V) (F-131x = acero al Cr-V para cojinetes de bolas, AISI 52100), F-126, F-127, F-128, F-129, F-133 (aceros al cromo, níquel y molibdeno, tenaces, para motores, cigüeñales, bielas, engranajes).

Criterios de Selección

Para espesores o diámetros menores a 20 mm, elegimos aceros al carbono normales. Para piezas de gran fricción o desgaste (F-131), el precio es alto por los tratamientos térmicos. En formas complicadas, no utilizar aceros al carbono, utilizar aceros aleados y templar en aire y aceite. Elegir el que tenga menor porcentaje de carbono y cumpla con los requisitos.

Turbina Francis

Se trata de una turbomáquina motora a reacción (baja carga y gran caudal donde el fluido cede la mayor parte de su energía al rodete) y de flujo mixto. Las turbinas son capaces de operar en rangos de desnivel que van desde los 30 hasta los 550 m (las revoluciones por segundo van desde 50 a 450, aunque las óptimas son de 225). Este tipo de turbina se usa principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas (hasta 375 MW).

Componentes de la Turbina Francis

• Cámara espiral: Tiene como función distribuir el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La sección transversal puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada.
• Distribuidor: Está constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir el agua hacia los álabes (fijos) y regular el caudal admitido, modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de la carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina.
• Rodete: Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico donde se realiza la conversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo del número específico de revoluciones para el cual esté diseñado la máquina, que a su vez depende del salto hidráulico y caudal de diseño.
• Tubo de aspiración: Es la salida de la turbina. Cumple una doble función:
  1. Aprovechar el desnivel entre la salida del rodete y el canal de desagüe. Para evitar la cavitación, casi siempre se instala sumergida.
  2. Si el tubo de aspiración es suficientemente largo, la energía cinética de la salida se reduce a límites despreciables. Esta disminución de velocidad provoca un vacío a la salida del rotor, por lo que la energía de presión entregada al mismo sería mayor.

Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en movimiento que circulan por ríos o mares para transformarla en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los alternadores.

Coeficientes de Pérdidas Primarias y Secundarias

Pérdidas Primarias

El factor de fricción (f) es función de la rugosidad, el diámetro y el número de Reynolds que se da en una tubería. Nos permite calcular las pérdidas de carga primarias, que son aquellas que se producen debido al contacto del fluido con la superficie (capa límite), el rozamiento de unas capas de fluido con otras (régimen laminar) o entre las partículas entre sí (régimen turbulento). Se producen en tramos de tuberías de sección constante. La fórmula para el cálculo de las pérdidas primarias es: HR1 = (fórmula).

Pérdidas Secundarias

Es el coeficiente adimensional de pérdida de carga secundaria (K), el cual depende de las características de los accesorios de las tuberías. Nos permite calcular las pérdidas de carga secundarias que tienen lugar en las transiciones (estrechamientos o expansiones), codos, válvulas y en toda clase de accesorios de tuberías. La fórmula para el cálculo de pérdidas secundarias es: HR2 = (fórmula).

Diferencias entre Pérdidas Primarias y Secundarias

Grado de Reacción en Turbomáquinas

En turbomáquinas, el grado de reacción es una medida de la relación entre la altura de presión y la altura total. Esta definición se aplica tanto para máquinas generadoras (bombas) como para máquinas receptoras (turbinas), aunque en el primer caso la máquina proporciona altura de presión y en el segundo caso la recibe. La altura de presión, por ejemplo en el caso de bombas, es la presión que proporciona directamente el rodete de la bomba, pero existe otra parte de la presión que corresponde a la presión producida por el difusor de la bomba y que transforma la energía cinética del fluido (velocidad) en presión; a esta última se le conoce como presión dinámica.

Gestión de Proyectos y Normativa

Partes de un Pliego de Condiciones

Definición y alcance del pliego, pliego de condiciones generales y pliego de condiciones particulares.

Presupuesto de Ejecución Material vs. Presupuesto de Ejecución por Contrata

El presupuesto de ejecución material es la suma del presupuesto de las distintas partidas que componen el documento mediciones y presupuesto, sin incluir gastos generales, beneficio industrial, honorarios ni impuestos. El presupuesto de ejecución por contrata es la suma del presupuesto de ejecución material más gastos generales de empresa y beneficio industrial. Los gastos generales incluyen el coste de los servicios de administración y dirección general de la empresa constructora.

Porcentaje de Gastos Generales y Beneficio Industrial en Obras Oficiales

En obras oficiales, el beneficio industrial considerado es del 6%, y los gastos generales el 13%.

Organización del Documento de Presupuesto

Cuatro cuadros de precios (mano de obra, materiales, unitarios y descompuestos), estado de mediciones, presupuestos parciales, presupuesto general y resumen del presupuesto.

Retranqueo

Indica la distancia a linderos, etc., donde no se puede construir.

Definiciones en una Obra

• Propiedad: Dueño de las futuras instalaciones.
• Contratista: Ejecuta la obra.
• Dirección facultativa: Responsable de la obra.
• Proyectista: Diseña el proyecto.

Norma vs. Reglamento

Las normas son recomendaciones y no son de obligado cumplimiento, pero el reglamento sí.

Discriminación Horaria

Tiene como objetivo beneficiar a los usuarios de la energía fuera de las horas punta reduciendo las tarifas.

Protocolo de Kioto

Ley aprobada por la mayoría de países del mundo con la que se pretende controlar las emisiones de CO2 de las industrias a la atmósfera. Concede unas toneladas de CO2 a las industrias de cada país anualmente y estas no deben exceder esa producción. Si la sobrepasan, deben pagar una multa por cada tonelada excedida o también pueden comprar las cuotas de emisión excedentes a otros países.

IPD y PIA en Esquemas Eléctricos

• IPD (Interruptor Diferencial): Desconecta la instalación en caso de derivación a tierra.
• PIA (Interruptor Magnetotérmico): Evita sobrecargas en la instalación e incendios y desperfectos en las máquinas.

Plano P&I

Un plano de tuberías e instalación.

Calorífugo de Tuberías

Sirve para evitar la transmisión de calor al exterior.

Tensiones Normalizadas en Baja Tensión

• Pequeña: < 50 V
• Usual: 50-500 V
• Especial: 500-1000 V

BT y AT

• BT (Baja Tensión): < 1000 V
• AT (Alta Tensión): > 1000 V

Tipos de Documentos Técnicos

Especificaciones técnicas, informes técnicos, manuales de servicio y estudio de viabilidad.

Carta de Petición de Oferta

Debe incluir: número de unidades a suministrar, plazo de entrega, especificaciones técnicas, forma de pago y penalizaciones por retraso.

Estructura de un Informe Técnico

Parte inicial, cuerpo del informe, anexos y parte final.

Reglamentos para Instalaciones de Almacenamiento de Productos Químicos y de Baja Tensión

• Almacenamiento de productos químicos: ME-APQ
• Baja tensión: ITC-BT

GPL y GNL

• GPL: Gases licuados del petróleo.
• GNL: Gas natural licuado.

Tipos de Protecciones en una Instalación

• PIA (Interruptor Automático).
• IGA (Interruptor General Automático).
• IPD (Interruptor Diferencial).
• ICP (Interruptor de Control de Potencia).
• Relé: Bobina que cuando recibe corriente se cierra.

Modificación del Término Reactivo de una Instalación

Conectando a la instalación baterías de condensadores para mantener siempre el factor de potencia (cos φ) lo más próximo a la unidad.

Diferencia entre Hidráulico y Neumático

Los sistemas hidráulicos son semejantes a los neumáticos, pero en lugar de emplear aire comprimido utilizan aceite para acumular la energía que será convertida posteriormente en energía mecánica con el fin de producir un trabajo a través de los elementos del sistema.

Esquema Unifilar y Multifilar

Es una representación gráfica de una instalación eléctrica. El unifilar representa los conductores del circuito mediante una única línea, independientemente de la cantidad de dichos conductores. El multifilar se representa por las líneas R, S, T y neutro.

Suplidos

Son gastos extra que conllevan el proyecto o trabajo encargado (viajes, tramitaciones, etc.).

Estudio de Seguridad y Salud

Dicho estudio será obligatorio cuando se cumpla alguna de las siguientes condiciones:

• El presupuesto de ejecución por contrata incluido en el proyecto sea superior a 450.000 €.
• La duración estimada sea superior a 30 días laborables, empleándose en algún momento a más de 20 trabajadores simultáneamente.
• El volumen de mano de obra estimada, entendiendo por tal la suma de los días de trabajo del total de los trabajadores en la obra, sea superior a 500.
• Las obras de galerías, túneles, presas y conducciones subterráneas.

Atribuciones y Funciones de los Ingenieros Técnicos Industriales

Atribuciones del Ingeniero Técnico Industrial

Realizar proyectos de cualquier edificio industrial o nave, estudio de viabilidad con carácter industrial, director técnico de obra, responsable de seguridad de obra y docente.

Visado Colegial

Es un sello del colegio de ingenieros que indica que el proyecto ha sido realizado conforme a la ley de contenidos mínimos de los proyectos y que el autor está colegiado.

Funciones del COITI (Colegio Oficial de Ingenieros Técnicos Industriales)

Visado de proyectos, defensa profesional y de competencia frente a otros colegios profesionales, fomento de la contratación de ingenieros técnicos, información relacionada con la profesión, organización de cursos y conferencias.

Fines del COITI

Asesoramiento a entidades, organismos y particulares, velar por los derechos y deberes de la profesión y de los profesionales, impedir casos de intrusismo profesional que afecten a los ingenieros técnicos industriales, cooperación con la Administración Pública y Tribunales, organizar eventos relacionados con la profesión, recoger y encauzar las aspiraciones de los colegiados, regular los honorarios, informar sobre sucesos relacionados con la profesión, interpretar dudas sobre honorarios, etc.

Colegio Profesional

Corporación de derecho público que se rige por la ley de colegios profesionales y cuya existencia viene recogida en la constitución.

Proceso para la Gestión Colegial de un Proyecto

Hoja de encargo (contrato entre ambas partes), entrega de proyecto para visado (3 copias, con todos los permisos y licencias) y cobro de honorarios por parte del COITI.

Apartados de una Especificación Técnica

Descripción del producto, características generales, accesorios, pruebas, puesta en marcha, documentación, transporte, seguro y embalaje.

Hoja de Encargo

Documento facilitado por el colegio profesional que supone un contrato entre cliente e ingeniero. Consta de: antecedentes al pedido (conversaciones, escritos previos...), descripción, penalización por retraso, facturación, forma de pago, lugar de entrega y plazo.

Conceptos Adicionales en Proyectos Industriales

Macroestructura de una Fase

Conjunto estructural que forman las etapas a resolver y fijan lo que hay que hacer.

Clasificación de Factores Generales

• Factores Determinantes: Su inadecuación impide la instalación de la empresa. Ejemplos: energía, agua y residuos, leyes e impuestos, geografía y clima, suelo.
• Factores Primordiales: Aseguran una buena localización sin ir en contra de los determinantes. Ejemplos: transporte, mercado, materias primas.
• Factores Marginales: No juegan un papel decisivo pero son convenientes. Ejemplos: mano de obra, entorno social.

Licencia

Derecho que el propietario de una patente concede para poder explotar su patente.

Patente

Privilegio legal que conceden los gobiernos un número de años (20 años en España) con la finalidad de prohibir vender o fabricar el producto.

Orden de Prioridad de los Documentos de un Proyecto

Planos, pliego de condiciones, mediciones y presupuesto, estudio económico, memoria.

Normativa Regional

Sí, la normativa es la misma para cada región, pero es distinta para cada comunidad autónoma.

Ingeniería del Proceso y Desarrollo

En ingeniería del proceso nos encontramos diferentes tecnologías: tecnología aportada mediante licencias, tecnología aportada mediante know-how y tecnologías complejas o en desarrollo. La Ingeniería de Desarrollo está compuesta por la Ingeniería del Detalle, Gestión de compras y contratación, Supervisión de la ejecución y el montaje y puesta en servicio del proyecto.

Programa y Control en Proyectos

Henry L. Gantt creó el diagrama de barras. En 1958 aparecieron PERT y CPM, posteriormente apareció el método ROY.

Ley del Suelo para Nave en Polígono Cabezo Beaza

Decreto 102/2006 de 2 de junio de la Región de Murcia por el que se aprueban las Directrices y Plan de Desarrollo territorial del suelo industrial.

Proyectar

Idear, trazar, disponer o proponer un plan y los medios para la ejecución de una cosa.

Proyecto

Conjunto de escritos, cálculos y dibujos que se hacen para dar idea de cómo y lo que cuesta una obra.

Planos del Proyecto

El documento Planos es uno de los documentos que constituyen el proyecto y tiene como misión, junto con la memoria, definir de forma unívoca el objetivo del Proyecto. Los Planos junto con el Pliego de Condiciones son vinculantes.

Documentos del Código Técnico de la Edificación (DB)

• DB-SE (Seguridad Estructural).
• DB-SI (Seguridad en caso de Incendio).
• DB-SUA (Seguridad de Utilización y Accesibilidad).
• DB-HE (Ahorro de Energía).
• DB-HR (Protección frente al Ruido).
• DB-HS (Salubridad).

Red de Abastecimiento Eléctrico

Servicios: Red eléctrica en el entorno, si es en baja o media tensión, capacidad y punto de entronque concedido por la compañía distribuidora (que debe haber sido solicitado y concedido con anterioridad).

Contenido de la Memoria

Objeto, alcance, antecedentes, normas y referencias, disposiciones legales y normas aplicadas, programa de cálculo, bibliografía.