Cálculo de una reja.
Las cuatro características
de una reja son:
- Evitar la entrada de cuerpos extraños.
- No crear
excesiva. - No ser un peligro potencial para la propia
Central Hidroeléctrica.
- No inducir vibraciones en la tubería.
Tal
como se explicó en la 35º Parte. Reja
(1), el tamaño de cribado, paso o luz libre para el cribado está
condicionado por la “dimensión crítica” de la propia turbina, por lo general
oscila entre:
También
puede estar limitado por razones ecológicas o por normas particulares de cada
país.
Normalmente
es el propio fabricante de la turbina o las especificaciones técnica o las
normas, las que definen el “paso” o “luz”.
Es
recomendable aproximarse a la reja a una velocidad algo superior a 1,0 m/s.
Con
estos dos datos, ya podemos realizar una primera estimación de la anchura
necesaria de la reja, la cual quedará incrementada por las secciones de apoyos
y arriostrado de la misma.
En
tomas en canal, hay dos factores que influyen en la profundidad de la reja:
- La profundidad de
sumergencia o calado, para evitar entradas de aire.
- La pendiente de la
toma o caz, para precipitar los sólidos en suspensión.
Llegados
a este punto siempre se presentan varios interrogantes:
- Necesidad de una
pre-reja de gruesos, para derivar troncos y grandes objetos flotantes.
- Instalación de una
barrera flotante o” drom”.
- Instalar un
limpia-rejas con capacidad de extracción de grandes objetos.
- Instalar compuertas
de alivio con elemento móvil superior (tipo clapeta).
- Como proteger (si
es necesaria) la válvula de la turbina.
- Donde instalar la
compuerta de la cámara de carga o caz, antes o después de la reja.
- Acondicionar la
obra civil, con toma lateral. (tema fuera del alcance de este blog)
Como
experiencias propias, se comentan y analizan cada uno de los puntos.
Las pre-rejas de grueso están al inicio del canal, casi siempre de difícil
acceso y en muchas ocasiones sin energía eléctrica, ni estructuras adecuadas
para soportar grandes pesos o accesorios de grandes dimensiones. Lógicamente el
paso de la pre-reja de grueso será mucho mayor que la reja de la toma o caz,
por lo cual en caso de riada, quedan llenas de troncos, piedras, y en muchas
ocasiones incrustados en ella. Dificultad, como acceder a ella con maquinaria
potente, moto-sierras, grúas, etc.
Normalmente,
se elimina la pre-reja y se confía la evacuación al limpia-rejas de finos (si
está preparado para ello), en otras ocasiones se fabrica la pre-reja con
redondos de Ø100 ¡que pueden extraerse verticalmente!, para dar paso hacia la
reja de finos.
No
por ello dejó de comentar que existen pre-rejas de grueso que funcionan correctamente. De ello depende de la
naturaleza del río, del diseño de las obras de toma, de la existencia o no de
un embalse próximo, del uso forestal de las zonas ribereñas, etc.
Las barreras flotantes o “droms”, útil similar a las barreras de contención de
hidrocarburos en los derrames en el mar, son de construcción metálica con
quilla para evitar su giro, muy adecuados en ríos cuyos niveles de riada no
superen los 4,0 metros ,
ya que las guías de acompañamiento deben ser mas altas que el nivel de riada, para
evitar la rotura del “fusible de seguridad”.
En algunos casos es una alternativa a la pre-reja de gruesos.
Evidentemente
se debe de disponer de los medios acuáticos necesarios, en caso de rotura del
fusible, para recolocar la barrera en su posición.
Limpia-rejas, con capacidad de extracción de grandes y/o pesados
objetos, hay de varias marcas de reconocido prestigio en el mercado.
Los
hay bivalvos, univalvos, universales, de peine con idéntico paso que la reja,
con grúa-pinza o “pulpo” independiente, con/sin container, con descarga directa
sobre camión, de engranaje/cremallera, de cable, oleohidráulicos, fijos,
móviles, con capacidad de detectar el peso de la carga a elevar, con capacidad
de detectar la perdida de carga, etc. Cada uno de ellos adecuado a su función.
La
tendencia actual, para profundidades de hasta 15m. se inclina hacia los
oleohidráulicos telescópicos, debiéndose estudiar la idoneidad de cada uno de
ellos con respecto a la aplicación.
No
olvidar que la función de la reja es retener los cuerpos mayores de cierto
tamaño, pero algo debe evacuarlos.
También
se debe estudiar la naturaleza de los materiales, ¡simples hojas, en otoño,
pueden colmatar una reja!
Las compuertas de alivio con compuerta superior abatible (clapletas), son una
solución muy práctica para evacuar elementos flotantes en riada y hielo en
invierno, además de colaborar en la evacuación de caudales excedentarios en
riada. Es un sistema que solo se puede
aplicar en casos adecuados al mismo.
La válvula de protección de turbina está siempre expuesta a los elementos extraños, ya
que los cuerpos de Ø < “luz” o paso,
pueden circular por la tubería. Afortunadamente es un “incidente” bastante
difícil de acaecer, dada la poca frecuencia de maniobras de la válvula. Las
válvulas construidas según las “reglas del arte” para turbinas hidráulicas,
disponen de diseños que permiten el cambio de los cierres sin necesidad de
desmontaje de la válvula. La frecuencia media de cambio de cierres suele estar
entre 3 a
5 años. Siendo una maniobra, si está bien planificada, muy rápida, menos de 2
días.
Por
razones de coste de obra civil, normalmente se instala las compuertas “aguas
abajo” de la reja y del limpia-rejas. Obviamente si se instalan “aguas arriba”
debe prolongarse la solera, dejando el hueco pertinente para la maniobra del
limpia-rejas.
Debe
de disponerse de guías para poder instalar una ataguía o compuerta de
mantenimiento, para mantenimiento de la compuerta de toma.
En
rejas bien diseñadas, se han llegado a usar las mismas como ataguía,
obturándolas con chapas de aluminio. Véase aquí la importancia de un buen
cálculo de la reja.
Perdida de carga de la reja.
Existen
multitud de fórmulas, exponemos una de las mas simples, para ver los parámetros
que intervienen y realizaremos un cálculo teórico para ver el orden de magnitud
de la perdida de carga.
Datos:
Se
presuponen realizados los cálculos de resistencia al empuje en caso de
colmatación, de ausencia de vibraciones armónicas y de definición correcta de
las dimensiones de la geometría de la toma.
Turbina:
Kaplan
Altura,
cabeza o caída: 4 m
Caudal:
40 m³/s
Paso
o luz (b): 100 mm .
Forma
del perfil: Rectangular
Dimensiones
del perfil (l x s): 100 x 10
mm .
Dimensiones
de la toma (A x B): 10 m
(ancho) x 4 m
(profundidad)
Inclinación
de la reja : 80º
Tipo
de limpieza: Caso manual
Tipo
de limpieza: Caso automático con
detector de obturación.
El
cálculo se realiza con la formulación de una pérdida singular, no olvidar que
el término “V” velocidad, siempre viene referida a la velocidad “antes de la
singularidad”, la fórmula tendrá la estructura clásica de:
. Después de ensayos
en laboratorio de diversos modelos, esta queda como:
Coeficiente de
obturación por sistema de limpieza.
Puede
tomar los valores de:
Coeficiente de forma para las barras.
Puede
tomar los valores de:
0,52
para formas rectangulares
0,35
para sección circular
0,32
para formas afusadas
% de obstrucción que crean los arriostrados horizontales, la
reja y la estructura de apoyo y rigidez de los paneles. Existe toda una
formulación para determinarlo exactamente su valor.
Puede
variar del 20% al 40%
L
= dimensión del barrote en el sentido del flujo.
b
= paso o luz de la reja.
ángulo de la reja con respecto a la horizontal
Introduciendo
los datos, obtenemos:
Para
sistema de limpieza automático con detector de colmatación
= 
Para
sistema de limpieza manual, sin paros por eliminación de grandes pesos y volúmenes
= 
, la
realidad
contrastada mediante registros informáticos, antes y después de instalar un
limpia- rejas, son aumentos de producción cercanos al a 10%-12%.
Frecuencia de resonancia de la reja.
(Vórtices de Von Karman)
Los
estudios sobre rejas se iniciaron hacia 1.950, cuando el suministrador de la
turbina realizaba los cálculos de todo el “recorrido” hidráulico de la
instalación.
Con
los nuevos conceptos de “llaves en mano”, es decir, licitaciones donde el
cliente incluye todos los conceptos, desde obra civil, reja, compuertas,
tubería, válvulas, turbinas, alternadores, instalación de control, evacuación
de la energía, etc. en un solo contrato, el adjudicatario, para optimizar sus
costes, realiza particiones por capítulos o entidades homogéneas o no de
trabajo, que subcontrata independientemente.
Este
método de trabajo, llevo a dejar ciertas partes de la instalación en el sub-apartado de “varios”, entre ellos la
reja, limpia-rejas, tubería (con toda su problemática, golpe de ariete,
chimeneas de equilibrio, bifurcaciones, etc.).
Esta
deriva en la contratación provocó que el fabricante de la turbina dejara de
investigar en dichos campos, alrededor de
1.980, por lo cual, existe muy poca literatura al respecto y los
conocimientos han quedado en empresas altamente especializadas en estos trabajos.
Este
sistema de trabajo implica disponer de un experto especialista, “Director de
Proyecto”, para que la integración de las diversas partes, dé como resultado un
conjunto armónico que maximice la producción y minimice el mantenimiento.
.................
La
frecuencia de vibración en una reja depende de:
·
La velocidad
máxima alcanzable por el agua al paso por ella, normalmente se supone que la
reja esta obturada entre el 50% y 70%.
·
De la forma
geométrica del barrote.
·
De la relación
geométrica del barrote
·
Del paso o luz
·
De la inercia
del barrote
·
De la rigidez
estructural del panel, de sus soportes y anclajes.
·
Del tipo de
material de los barrotes
·
Del tratamiento
y acabado de las superficies
·
Y del tipo de
separadores y su método de unión
Actualmente estos
cálculos se realizan mediante programas informáticos de E.F. + C.F.D., siendo
normal darse un margen de seguridad del 20%.
Por el contrario,
es un fenómeno que difícilmente aparece, en mi vida profesional he intervenido
en el rediseño de una reja, solo he visto los efectos catastróficos del
“accidente”, pero debo decir, que fueron de tal magnitud, que los deterioros,
la reposición y el tiempo de inactividad son de un tamaño y valor, que habrían
justificado con creces su cálculo y correcta fabricación.
Continuará ………..
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