Fundamentos de los Aprovechamientos de la Energía Hidráulica, Marina y Geotermia

Transcripción

1 MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES CURSO Fundamentos de los Aprovechamientos de la Energía Hidráulica, Marina y Geotermia CLASE 3 TEMA 2 EPANET 1

2 Determinación de las pérdidas de carga mediante EPANET CURSO

3 Camino para bajarse EPANET en español. 3

4 RECURSOS PARA ESTUDIAR Programa EPANET2.0 en Español Manual de EPANET2.0 en Español Notas de clase Tutoría electrónica desde el inicio del Curso y hasta la fecha de realización del examen práctico opcional. 4

5 Icono del programa Área de modelización 5

6 Introducción a EPANET Estudiar, primeramente, la Guía Rápida de EPANET para aprender el manejo básico del programa Tomado de : Guía Rápida de EPANET 2.0 6

7 El manejo básico del programa consiste en declarar: Valores por defecto se desean usar. Sistema de unidades. Ecuación de cálculo de las pérdidas de carga, etcétera. En aprender a dibujar o representar el sistema en la pantalla y asignarle propiedades a los depósitos, nudos, tuberías y bomba (s). Seleccionar Proyecto >> Valores por Defecto para abrir el diálogo de valores por defecto. Tomado de : Guía Rápida de EPANET 2.0 7

8 En la pestaña Identificativos ID, borrar todos los prefijos y fijar el Incremento ID en 1. Esto hará que EPANET ponga el identificativo automáticamente a los nuevos objetos a medida que son añadidos a la red, asignándoles números consecutivos a partir del 1. 8

9 Los primeros pasos en EPANET, al abrir un Proyecto nuevo, son: Seleccionar la fórmula de Darcy_Weisbach (D-W) como Fórmula de Pérdidas de carga. En la pestaña Opc. Hidráulicas del mismo diálogo elegir la opción LPS (litros por segundo) para las Unidades de Caudal. Ello conllevará el uso de las unidades métricas SI para las restantes magnitudes (longitudes en metros, diámetros de tubería en mm, presiones en mca, etc). Tomado de : Guía Rápida de EPANET 2.0 9

10 A continuación: 1. Seleccionar Ver >> Opciones del menú principal, para abrir el diálogo de Opciones del Esquema. 2. Seleccionar ahora la página Etiquetas de dicho diálogo y habilitar las opciones de Mostrar ID Nudos y Mostrar ID Líneas. Dejar el resto de opciones deshabilitadas. 3. A continuación pasar a la página Símbolos y habilitar todas las opciones. 4. Pulsar finalmente el botón Aceptar para ratificar todas las opciones y cerrar el diálogo. Tomado de : Guía Rápida de EPANET

11 Seleccionar las opciones de cálculo. Existen cinco categorías de Opciones de Cálculo, agrupadas en función del tipo de análisis a realizar por EPANET: Opciones Hidráulicas Opciones de Calidad del Agua Opciones de Reacciones Opciones de Tiempo Opciones de Energía 11

12 Para editar alguna de las opciones incluidas en las categoría anteriores: 1. Seleccionar Opciones desde la página de Datos del Visor o seleccionar Proyecto >> Opciones de Cálculo desde la Barra de Menús. 2. Seleccionar la categoría de opciones deseada desde la misma página de Datos del Visor: Hidráulicas, Calidad, Reacciones, Tiempo ó Energía. 3. Si el Editor de Propiedades no estuviera visible, pulsar sobre el botón Editar del Visor (o pulsar la tecla Intro). 4. Editar las propiedades deseadas desde el Editor de Propiedades. 12

13 Las Curvas de Comportamiento (o Curvas simplemente) son objetos que contienen pares de datos ordenados, los cuales representan una relación entre dos magnitudes. Dos o más objetos físicos pueden compartir la misma curva. En un modelo de EPANET se pueden declarar los siguientes tipos de curvas: Curvas de Pérdidas Curvas de Cubicación Curvas Características Curvas de rendimiento 13

14 EPANET requiere como datos, los siguientes: El peso específico y la viscosidad cinemática relativos a los valores del agua a 20 0 C. Propiedades de las tuberías (diámetro, longitud física, rugosidad y la suma de los coeficientes de los accesorios o singularidades de que disponga o su longitud equivalente). Propiedades de las bombas (caudal y carga del punto nominal, Q 0 y H 0, como mínimo). Propiedades de las válvulas (tipo, estado y consigna o curva de comportamiento de pérdidas de carga vs. caudal). 14

15 Problema 1.. Considere tubería de PVC y Temperatura 25 0 C. Temperatura Peso Densidad Viscosidad Viscosidad Tensión Carga a presión específico dinámica cinemática superficial de vapor T γ ρ µ ν σ p v * ( 0 C ) N/ m 3 Kg/ m 3 Pa*s x 10-3 cm2/ s x 10-2 N / m x 10-2 m Visc cinem T / Visc cinem T = 20 0 C (adim.) γ T / γ T = 20 0 C (adim.) Introducción del coeficiente de corrección de la viscosidad cinemática y del peso específico en Proyecto/ Opciones hidráulicas (efecto de temperatura T 20 0 C). <EJEMPLO CLASE 3 TANQUES. net> 15

16 EJEMPLO DE TUBERÍA POR GRAVEDAD QUE CONECTA DOS DEPÓSITOS Σh f tubería 8 = *(250/ 1000) = 30 m.c.a. 16

17 EPANET sí puede resolver este problema si se plantea como un sistema de un depósito, una tubería y un nudo emisor (tratado de forma similar a un hidrante, es decir, con un coeficiente del emisor C bien elevado) 17

18 Válvulas. Compuerta De globo De mariposa Recubrimiento de neopreno De retención 18

19 Toma de presión interna Toma de presión externa Ejemplos de válvulas reductoras de presión. 19

20 Las válvulas de corte y las de retención, cuya acción es abrir o cerrar totalmente el paso del flujo, no se consideran, por EPANET, como líneas independientes, sino que deben incorporarse como propiedades de la tubería en la cual se alojan. Las restantes válvulas se tratan, por EPANET, como líneas que limitan la presión o el caudal en un punto determinado de la red. Los datos principales de una válvula son: los nudos aguas arriba y aguas abajo, el diámetro, la consigna** y su estado (forzado o no). Los resultados asociados con una válvula son, básicamente, el caudal de paso y la pérdida de carga. Continúa en la transparencia siguiente 20

21 Introducción, en el editor de propiedades de una línea, del tipo de válvula de corte o antirretorno. Nota: el resto de los tipos de válvulas deben introducirse mediante el icono de la barra superior. 21

22 Los tipos de válvulas, excepto las de corte y las antirretorno, deben introducirse mediante el icono de la barra superior. Haciendo doble click sobre esa ventana permite acceder al menú desplegable de tipos de válvulas. 22

23 **Consigna: Cada tipo de válvula tiene una consigna diferente, relacionada con su comportamiento. Válvulas Reductoras y Sostenedoras: la presión (se debe poner el valor de la carga a presión que se desea aguas debajo de la válvula). Válvulas Sostenedoras: la presión (se debe poner el valor de la carga a presión que se desea aguas arriba de la válvula). Válvulas de rotura de carga: la caída de presión. Válvulas limitadoras de caudal : el caudal. Válvulas de regulación: el coeficiente de pérdidas de carga. Válvulas de propósito general: la curva de pérdidas de carga. La consigna de control de una válvula puede inhibirse especificando, en un momento determinado, que dicha válvula se encuentra totalmente abierta o totalmente cerrada. Tanto el estado de una válvula como su consigna pueden modificarse a lo largo de una simulación utilizando las Leyes de Control 23

24 Tipo de Válvula Consigna Reductora Presión (m ó psi) Sostenedora Presión (m ó psi) Rotura Carga Caída de Presión (m ó psi) Limitadora de Caudal Caudal (unidades de caudal) Regulación Coef. Pérdidas (sin unidades) Propósito General Identificativo ID de la curva de pérdidas Estado Forzado Estado forzado de la válvula al comienzo de la simulación. Si se especifica Abierta ó Cerrada, la consigna establecida para la válvula será ignorada y la válvula se comportará como una línea abierta o cerrada, según el caso. Si se especifica Ninguno, entonces el estado de la válvula vendrá determinado por la propia simulación. Nota: El estado forzado de una válvula y su consigna pueden variarse a lo largo de una simulación mediante el uso de Leyes de Control. Si el estado forzado de una válvula es Abierta o Cerrada, puede activarse de nuevo utilizando una ley de control para asignarle una nueva consigna. 24

25 Modelización de turbinas en EPANET Caso 1. Se conoce el caudal que es posible derivar y las cotas de de los depósitos. Z 1 Z 2 25

26 Modelización de turbinas en EPANET (Cont.) Caso 2. Las Válvulas de Propósito General pueden utilizarse para modelar una turbina. Se debe disponer como una Curva de Pérdidas, que se utiliza para relacionar la caída de carga a través con el caudal de paso, en las unidades de caudal elegidas (eje X). La consigna de la válvula es el identificativo ID de su Curva de Pérdidas. Curvas de Pérdidas H turbina vs. Q 26

27 Problema 1. Determinar las cargas bruta y neta sobre la turbina de la figura. Considere que el caudal, Q = 0, 50 m 3 / s. El sistema de tubería consta de: entrada de depósito a la tubería, tubería de D = 600 mm y longitud recta, L = 367, 2 m, 2 codos de 45 0, válvula (K valv. abierta = 0, 25), cono divergente de descarga a 800 mm (K equivalente cono diverg. = 0, 15) y salida al depósito inferior. La tubería es de acero galvanizado. Z 1 = m Z 2 = m Cono de salida Profesor: Válvula Juan E. González Fariñas 27

28 Z 1 = m Z 2 = m Respuestas: a. Carga bruta: H bruta = Z 1 Z 2 = = 500 m b. Carga neta: H turbina = Z 1 Z 2 - Σ h f

29 Z 1 = m Z 2 = m Cálculo de las pérdidas de carga: El sistema de tubería consta de: entrada de depósito a la tubería, tubería de D = 600 mm y longitud recta, L = 367, 2 m, 2 codos de 45 0, válvula (K valv. abierta = 0, 25), cono divergente de descarga a 800 mm (K equivalente cono diverg. = 0, 15) y salida al depósito inferior. La tubería es de acero galvanizado. Σ h f 1-2 = (8*g/ π 2 )*(L/ D 5 )*Q 2 + (K e + 2 K codo 45 +K válv + K cono div. + K salida )*(V 2 /2g) El cálculo de las pérdidas de carga puede hacerse con: a) Libro Excel de pérdidas de carga. b) EPANET 29

30 a) Cálculos mediante el Libro Excel de pérdidas de carga de la asignatura. input data output data PROGRAMA DE CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA EN UNA TUBERÍA RECTA, REAL O EQUIVALENTE AUTOR: Juan E. González Fariñas ENTRADA DE DATOS: Q = 500,00 l / s Accesorios de diám. Constante Número K accesorio l equiv. Accesorio (m) L recta total = 367,20 m Codos rectos (radio largo) 0 0,60 0,00 D interior = 600,00 mm Codos rectos (radio medio) 0 0,75 0,00 Codos rectos (radio corto) 0 0,90 0,00 ε = 0,150 mm Codos de ,36 28,50 ν = 0,0101 cm 2 / s Válvulas compuerta 0 0,19 0,00 Ver tabla de viscosidades del agua Válvulas de globo 0 10,00 0,00 Válvulas de mariposa 0 0,00 Válvulas de retención 0 2,50 0,00 VERIFICACIÓN DE LA VELOCIDAD Entrada desde depósito 1 0,50 19,79 1,77 m/ s Salida de la tubería 1 1,00 39,59 Ensanchamiento brusco 0 0,00 Estrechamiento brusco 0 0,00 Inyector de turbina Pelton 0 0,06 0,00 Otros 1 0,25 9,90 Otros 1 0,15 5,94 l equiv. accesorio 103,73 CÁLCULOS: V = 1,77 m/ s v 2 / 2g = 0,16 m R e = adim. f = 0,015 adim. FUNCION-OBJ. -0,001 L equiv. Total = 470,93 m Σh f = 1,90 m total 1 (m) : 30

31 a) Cálculos mediante el Libro Excel de pérdidas de carga de la asignatura (Continuación). b. Carga neta: H turbina = Z 1 Z 2 - Σ h f 1-2 H turbina = ,90 = m 31

32 b) Cálculos del mismo problema 1 anterior mediante EPANET. Problema 1. Determinar las cargas bruta y neta sobre la turbina de la figura. Considere que el caudal, Q = 0, 50 m 3 / s. Z 1 = m Z 2 = m El sistema de tubería consta de: entrada de depósito a la tubería, tubería de D = 600 mm y longitud recta, L = 367, 2 m, 2 codos de 450, válvula (K valv. abierta = 0, 25), cono divergente de descarga a 800 mm (K equivalente cono diverg. = 0, 15) y salida al depósito inferior. La tubería es de acero galvanizado. Análisis del problema: Es un problema en el que se conocen las cotas de agua inicial y final y el caudal que puede explotarse, además de las propiedades de la tubería. En consecuencia, sólo es necesario determinar las pérdidas de carga que ocurren en el sistema. 32

33 b) Cálculos del mismo problema 1 anterior mediante EPANET (Continuación). Z 1 = m Z 2 = m a. Carga bruta: H bruta = Z 1 Z 2 = = 500 m b. Carga neta: H turbina = Z 1 Z 2 - Σ h f 1-2 A continuación se procede al cálculo del coeficiente de pérdidas locales para emplearlo en EPANET: Obtención de los parámetros : ΣK = K entrada * 2* K codo + K válv * K equiv. cono + K salida = = 0, *0,36 + 0, , , 0 = 2, 62. Rugosidad acero galvanizado: ε = 0, 15 mm. 33

34 Σh f = 5,19*367,2/ 1000 = 1, 90 m b. Carga neta: H turbina = Z 1 Z 2 - Σ h f 1-2 = Profesor: 1, 90 = Juan 498, E. 1 m. González Fariñas 34

35 Qué potencia entrega al convertidor el eje de la turbina si la eficiencia de la conversión de la energía hidráulica en mecánica es del 80%?. Respuesta: La potencia que entrega la turbina es: P = γ Q* H *η * neta P (Kw) = 9, 81*Q*H turbina * eficiencia en tanto por uno P (Kw) = 9, 81*0, 5 * 498, 1 * 0, 80 P (K w ) = 1 954, 5 Kw. 35