ES2640067B1 - Sistema de control hidrodinámico para un canal - Google Patents

Abstract

Sistema de control hidrodinámico para un canal que comprende una compuerta inflable (4) anclada al fondo del canal que divide el canal en dos regiones: una región aguas arriba y una región aguas abajo. Comprende también unos medios de conexión hidráulica para comunicar hidráulicamente el canal aguas arriba, el canal aguas abajo y la compuerta inflable (4). Además comprende unos medios de control (13) para regular el grado de inflado de la compuerta (4) en función del nivel aguas arriba (2) para así regular el flujo de agua en el canal.

Description

Campo técnico de la invención

La invención pertenece a los dispositivos y sistemas de control de apertura para compuertas de canales. Más concretamente, se aplica a aquellas compuertas ¡nflables inmersas en canales.

Antecedentes de la invención o Estado de la Técnica

El funcionamiento mayoritario de los canales para transportar agua en lámina libre, persigue transportar y distribuir agua a lo largo de su trazado, existiendo tomas laterales cada cierta distancia a través de las que se deriva agua del canal para los diferentes usos y puntos de consumo. El funcionamiento de estas tomas requiere mantener el nivel en el canal alto para permitir la derivación lateral de agua por gravedad, a la vez que la posibilidad de almacenar agua en el canal también se consigue manteniendo niveles altos, con independencia del caudal de agua circulante. Esto únicamente puede conseguirse mediante la instalación de compuertas de regulación.

Generalmente para controlar los flujos y los niveles de agua en canales se emplean compuertas metálicas, que en muchos casos para grandes canales son automatizadas mediante elementos de accionamiento electromecánicos. También existen compuertas metálicas cuya regulación está automatizada mediante un sistema de flotadores. En ambos casos la instalación requiere de una importante obra civil para adaptar la geometría del canal, y en el caso de los sistemas de regulación mediante flotadores, son sistemas donde el nivel consigna no puede ser modificado durante la operación del canal. A pesar de que cada vez más se emplean componentes plásticos en la impermeabilización de canales, el uso de compuertas inflables, construidas también con compuestos elastómeros, no es habitual en canales o en sistemas de distribución de agua en lámina libre. Sin embargo, estas tienen como ventaja que son capaces de adaptarse a múltiples geometrías, pudiendo resultar más fácil su instalación que el caso de cualquier tipo de compuerta metálica.

Por otra parte, en los infrecuentes casos en los que se usan compuertas inflables, se instalan accionamientos electromecánicos neumáticos o hidráulicos para controlar su apertura o cierre.

Para su automatización emplean un sensor piezoresistivo de nivel en el canal que envía la información a un autómata programable (PLC), donde un algoritmo decide qué presión debe aplicarse al fluido del interior de la compuerta. Dicha presión se controla con un segundo sensor de presión, y existe un sistema de accionamiento del sistema de bombeo para el inflado de la compuerta, o alternativamente un sistema motorizado de apertura de la válvula para su desinflado. Este tipo de propuestas presenta varios problemas o inconvenientes. El sistema de control es costoso y requiere de una fuente continua de energía eléctrica, así como de labores de mantenimiento propio de estos sistemas. Así mismo requiere disponer de un espacio correctamente acondicionado en las proximidades del canal o río donde ubicar los equipos.

En pequeños canales o acequias, la regulación se realiza mediante compuertas metálicas de accionamiento manual, que requieren la supervisión continua para ajustar su posición y generalmente no se automatizan por motivos de costes.

De acuerdo con todo lo anterior, la instalación de elementos de regulación en canales se limita en número por motivos del coste de instalación y mantenimiento, y en caso de no estar automatizadas, por la necesidad de su continua supervisión manual ante condiciones cambiantes del flujo.

Breve descripción de la invención

A la vista de las limitaciones observadas en el estado de la técnica, seria deseable un sistema de control que sea aplicable a compuertas inflables, cuya instalación tenga un coste inferior, siempre que venga acompañado de un sistema de control automático de apertura robusto, automático y de bajo coste económico y energético. Sumándose la posibilidad de ser fácilmente telecontrolable. Esto permitiría la instalación de mayor número de compuertas en canales para regular los niveles, mejorando la explotación y la eficiencia de estas infraestructuras de transporte.

La presente invención propone la regulación del nivel de agua en un canal mediante la modificación automática del nivel de inflado de una compuerta inflable inmersa dentro del canal. El control del nivel de inflado se realiza ventajosamente mediante un circuito hidráulico que aprovecha el comportamiento hidrodinámico de las compuertas inflables cuando se produce la corriente de agua sobre las mismas, sin necesidad de aportes de energía desde fuentes externas.

El modo de accionamiento puede tener otras variantes, mediante un circuito de control hidroneumático que permite la variación del nivel consigna de llenado del canal, y la adaptación del nivel de inflado de la compuerta para cada nuevo nivel consigna.

El sistema es escalable, para diferentes tamaños de canal, y opcionalmente permite ser telecontrolado.

Para algunas funcionalidades se requiere almacenamiento de energía. No obstante, solo en cantidades pequeñas como para bastar con la instalación de pequeñas baterias.

Una vez el circuito está cebado de agua y en comunicación hidráulica, funciona sin necesidad de ningún componente eléctrico, ni de accionamientos mecánicos, y sin aporte de energía exterior. El sistema se auto regula en base a un circuito hidráulico que toma agua desde la posición aguas arriba de la compuerta, y la devuelve en la posición aguas abajo de la compuerta. En ese circuito se introduce en la compuerta inflable la presión necesaria para mantener el nivel de agua en el canal aguas arriba de la compuerta aproximadamente constante. El aporte de energia externa únicamente es necesario para el cebado del circuito, hasta que se produce la conexión hidráulica, o para producir la variación del nivel consigna.

El sistema también permite alternativamente mantener una diferencia fija de nivel en el canal entre las posiciones aguas arriba yaguas abajo de la compuerta, con la funcionalidad añadida de impedir la superación de un nivel máximo de agua en el canal aguas arriba de la compuerta, siempre que la capacidad hidráulica del canal no sea limitante.

En realizaciones concretas, no se descarta el uso de unos medios de control electrónicos aunque en tal caso sí precisarían de alimentación.

En suma, el sistema de control hidrodinámico para un canal incluye una compuerta inflable anclada al fondo del canal que divide el canal en dos regiones, una región aguas arriba y una región aguas abajo; unos medios de conexión hidráulica para comunicar hidráulicamente el canal aguas arriba, el canal aguas abajo y la compuerta inflable y unos medios de control para regular el grado de inflado de la compuerta en función del nivel aguas arriba.

Opcionalmente, los medios de control incluyen una arqueta que alberga una primera cámara de control directamente conectada a través de los medios de conexión hidráulica con aguas arriba y con el interior de la compuerta inflable.

Opcionalmente, la arqueta alberga una segunda cámara de vertedero recibe agua sobrante de la cámara de control cuando el agua supera un nivel de control en la cámara de control.

Opcionalmente, la cámara de vertedero está directamente conectada a través de los medios de conexión hidráulica con aguas abajo.

Opcionalmente, el llenado de la compuerta inflable está regulado por la diferencia de alturas entre el nivel aguas arriba y el nivel de agua en el punto de equilibrio de dicha compuerta inflable.

Opcionalmente de forma adicional, el llenado de la compuerta inflable está regulado por el nivel aguas abajo.

Opcionalmente, la arqueta incluye una pared divisoria que define la cámara de control y la cámara de vertido.

Opcionalmente, la pared divisoria tiene un orificio que comunica la cámara de control y la cámara de vertido.

Opcionalmente, la arqueta es presurizable y los medios de control incluyen adicionalmente un equipo de presurización que establece un valor de presión en la arqueta.

Alternativamente, los medios de control son electrónicos e incluyen un sensor de presión en el interior de la compuerta, una válvula con actuador electrónico instalada en un tubo que conecta la región aguas arriba con el interior de la compuerta (tubería de carga), una segunda válvula con actuador electrónico instalada en un tubo que conecta el interior de la compuerta con la región aguas abajo (tubería de descarga) y un autómata que actúa sobre las válvulas en función de la presión en el interior de la compuerta medida por el sensor de presión.

Breve descripción de las figuras

FIG. 1 muestra un esquema de una compuerta ¡nflable y un sistema de control hidráulico para mantener nivel constante aguas arriba, con arqueta de control a presión atmosférica.

FIG. 2 muestra un esquema de una compuerta ¡nflable y un sistema de control hidráulico para mantener nivel constante aguas arriba, con arqueta de control presurizada.

FIG. 3 muestra un esquema de una compuerta ¡nflable y un sistema de control hidráulico para mantener diferencia de niveles a cada lado de la compuerta constante, y nivel máximo aguas arriba, con arqueta de control a presión atmosférica.

FIG. 4 muestra un esquema de una compuerta ¡nflable y un sistema de control hidráulico para mantener diferencia de niveles a cada lado de la compuerta constan te, y nivel máximo aguas arriba, con arqueta de control presurizada.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a las figuras se describe de forma ilustrativa un ejemplo de realización sin carácter limitante.

Como se aprecia en el perfil longitudinal, en un canal o conducción en lámina libre con cabeza de cajeros (1) y fondo (5), una compuerta inflable (4) fijada en el fondo del canal, con flujo rasante sobre la compuerta que mantiene el caudal circulante en la conducción, produce una diferencia entre los niveles que adopta el agua aguas arriba de la compuerta (2) yaguas abajo (3). El nivel aguas arriba está condicionado por el nivel de inflado de la compuerta y el caudal circulante. Si se da el caso que el nivel aguas abajo se mantenga suficientemente alto, esta variable también condicionará al nivel aguas arriba.

La forma que adopta una compuerta inflable, anclada como se indica en la figura, produce un punto de equilibrio (8) donde las presiones a un lado y a otro de la membrana son iguales. En ese punto de equilibrio (8) de la cara aguas arriba de la compuerta (4) se produce un cambio de curvatura de cóncava a convexa, con valor de la curvatura en ese punto en concreto nulo. En una compuerta inflable (4), realizada con un material flexible que adapta su forma en función de la presión interior y las condiciones de flujo en su entorno, sin resistencia significativa a esfuerzos cortantes, en ese punto de equilibrio (8) donde la curvatura es nula la presión interior que se produce sobre la compuerta coincide con la presión exterior que el flujo produce sobre la misma.

Ese punto de equilibrio (8) donde se igualan las presiones, relaciona las condiciones interiores de la compuerta (4) con el flujo exterior, al ser el punto donde las presiones dentro y fuera de la compuerta son iguales. Desde el punto de vista de las condiciones de flujo exteriores a la compuerta, la presión en ese punto de equilibrio (8) viene dada aproximadamente por la altura de agua que se encuentra sobre el mismo en la región exterior de la compuerta, si bien las condiciones de flujo ni rectilíneo y ni paralelo que en el entorno se produce pueden hacerla variar ligeramente. Desde el punto de vista de las condiciones interiores de la compuerta, la presión en el punto de equilibrio (8) iguala a la presión exterior. Este nivel de agua sobre el punto de equilibrio (8) es inferior al nivel aguas arriba (2) que se produce en las proximidades de la compuerta

(4)

por el aumento de su velocidad en el flujo rasante que se produce sobre el punto de equilibrio (8). Esta diferencia de niveles "~H" en las figuras (altura en el lugar aguas arriba (2) donde se coloca el tubo (12) y altura de agua en la vertical situada sobre el lugar donde se produce el punto de curvatura nula de la compuerta en el punto de equilibrio (8» explica que si se pone en comunicación hidráulica aguas arriba (2) y el interior de la compuerta (4), se producirá un flujo de entrada de agua desde el exterior al interior de la compuerta (4).

Este gradiente de energías, desde aguas arriba de la compuerta (2) hacia el interior de la compuerta inflable (4), producido por la hidrodinámica del flujo rasante sobre una compuerta inflable o flexible, permite crear un sistema que mantiene un nivel constante aguas arri ba de la compuerta (4). Este sistema se representa sobre la FIG. 1 Y comprende una arqueta (13), dividida en dos cámaras. En la primera cámara, que se representa a la izquierda, se comunican mediante tubos (12) los niveles aguas arriba

(2)

de la compuerta y el interior de la compuerta (4). Esta primera cámara realiza la función de control de la presión de inflado de la compuerta (4). Mientras que el grado de inflado de la compuerta (4) produzca que el nivel de control (6) en la cámara de control se encuentre por debajo de la cota (7) del vertedero interior en la arqueta (13), el gradiente de energía producirá la entrada continuada de flujo desde aguas arriba de la compuerta hacia el interior de la misma, y con ello el inflado progresivo de la compuerta y consecuente subida del nivel de agua aguas arriba. Cuando el nivel en

(6)

alcance la cota (7), el vertedero limitará la presión máxima en la compuerta y el consecuente nivel aguas arriba dentro del canal, y no permitirá que el nivel de inflado produzca niveles aguas arriba sensiblemente superiores al nivel (7). Aguas abajo de ese vertedero se dispone una segunda cámara dentro de la arqueta desde donde el agua se devuelve al canal, hacia la zona aguas abajo de la compuerta (3). Por tanto las dos cámaras están separadas por una pared, con un vertedero en su parte superior, y sólo llega agua a la segunda cámara de vertido cuando la cámara primera de control está rebosando sobre el vertedero (7).

Con esta realización del sistema que comprende una arqueta (13) abierta a la atmosfera, con una pared divisoria con un vertedero interior. Variando la posición del vertedero interior se obliga a variar el nivel de inflado de la compuerta (4) para aproximar el nivel aguas arriba (2) de la compuerta a la cota (7) del vertedero. Este comportamiento se sigue produciendo en condiciones cambiantes de caudal circulante a través del canal o conducción. La compuerta aumentará su grado de inflado o lo disminuirá si el caudal circulante sobre la misma desciende o aumenta, respectivamente, para mantener en todo caso el nivel aguas arriba (2) entorno a un valor constante.

El mecanismo de control no requiere de ningún aporte de energia exterior para realizar su función reguladora del grado de inflado. Funciona aprovechando el comportamiento hidrodinámico de las compuertas inflables o flexibles fijadas en el fondo del canal o conducción.

Una variante de este dispositivo, que permitiria variar el nivel aguas arriba (2) de la compuerta (4) sin mover físicamente la cota (7) del vertedero, se muestra en la FIG. 2.

En ella la arqueta (13), que contiene las dos cámaras, realiza el control con una configuración similar, con la diferencia que está cerrada y presurizada, con un equipo de presurización (10). Variar la presión interior supone un efecto equivalente a variar la cota (7) del vertedero del interior de la arqueta (13). Manteniendo la cota (7) del vertedero interior de la arqueta (13) a una altura constante, al disminuir la presión interior lo que se produce es un descenso del valor de consigna para el nivel aguas arriba (2) que se desea mantener en la conducción en lámina libre, mientras que un aumento de la presión interior supone un aumento del valor de consigna. Esto es equivalente a bajar o subir físicamente la cola (7) del vertedero interior de la arqueta

(13) en la FIG. 1.

El cambio del valor consigna para el nivel implica cambio en la presión interior, y con ello un aporte exterior de energia, según el caso, pero al igual que sucedía en la FIG.1 , en el momento que se ha fijado el nivel consigna no se requiere de mayor aporte exterior de energía, y el dispositivo funciona de modo autónomo controlando el nivel aguas arriba de la compuerta.

Existe una segunda variante al esquema de la FIG. 1, como es el que se representa en la FIG. 3. En ella, dentro de la arqueta (13) para su control, en la pared de separación interior entre las cámaras se le dispone un orificio (11) que permite mantener una diferencia constante de nivel aguas arriba (2) y nivel aguas abajo (3). Esta diferencia de niveles que mantiene la compuerta (4) coincide aproximadamente con la diferencia de niveles que se requiere que se produzca entre las dos cámaras de la arqueta (13) para que el caudal que entra en la arqueta (13) y alcanza un nivel de control (6) en la cámara de control (16) que regula el inflado sea evacuada a través del orificio (11 ), alcanzado un nivel de vertido (9) en la cámara de descarga. Esta diferencia a su vez viene fijada hidráulicamente por el caudal que llega a la cámara de control de inflado a través de los tubos de conexión hidráulica (12) y el tamaño del orificio. El caudal es sensiblemente constante y con ello la pérdida de energía que produce el paso a través del orificio. Para un determinado nivel aguas abajo (3), que se traslada aproximadamente al nivel de vertido (9) de agua en la cámara de vertido (17), el flujo a través del orificio (1 1) impone un nivel necesario de control (6) para regular el inflado, y con ello un nivel aguas arriba (2) de la compuerta (4). Para un determinado tamaño del orificio (11 ), en función del nivel aguas abajo (3) se mantendrá una diferencia de nivel aproximadamente contante con el nivel aguas arriba

(2) mediante este mecanismo de control. Esto será así siempre y cuando el nivel de control (6) no alcance la cota del vertedero (7). Si la alcanzara, se pasaría a mantener nivel aguas arriba (2) constante, dejando de mantener constante la diferencia de niveles. Si se varía el tamaño del orificio (11 ), para un determinado nivel aguas abajo (3), se cambiaria la diferencia de nivel consigna que define el nivel a mantener aguas arriba. De nuevo el funcionamiento es autónomo desde el punto de vista energético.

Por último, la FIG. 4 combina las variantes representadas en las FIG. 2 Y 3, representando un dispositivo de control que puede situarse a cualquier altura, ya que el nivel efectivo de regulación vendrá condicionado por su posición con respecto a la conducción en lámina libre que regula y por su presión interior variada con un equipo de presurización (10), yen el que el dispositivo va a mantener diferencia de niveles constantes entre aguas arriba yaguas abajo de la compuerta, con flujo en la compuerta únicamente a través del orificio (11), siempre que el nivel en la cámara de control de inflado (6) no supere el nivel de la cámara de vertedero (7), en cuyo caso pasaría a regular manteniendo nivel constante aguas arriba de la compuerta.

Referencias numéricas:

5 1 cabeza de cajeros; 2 nivel aguas arriba; 3 nivel aguas abajo; 4 compuerta inflable; 5 fondo del canal;

10 6 nivel de control en la cámara de control de la arqueta: 7 cota del labio del vertedero que separa ambas cámaras en la arqueta; 8 punto de equilibrio de presiones a ambos lados de la compuerta: 9 nivel de vertido en la cámara de vertido; 10 equipo de presurización;

15 11 orificio en la pared divisoria entre cámaras 12 tubos de conexión hidráulica: 13 arqueta; 16 cámara de control; 17 cámara de vertedero:

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

   1. Sistema de control hidrodinámico para un canal caracterizado por:

   -

   una compuerta inHable (4) anclada al fondo del canal que divide el canal en dos regiones, una región aguas arriba y una región aguas abajo;

   -

   unos medios de conexión hidráulica para comunicar hidráulicamente el canal aguas arriba, el canal aguas abajo y la compuerta inflable (4);

   -

   unos medios de control (13) configurados para regular el grado de inflado de la compuerta (4) en función del nivel aguas arriba (2).

2. 2.

   Sistema de control hidrodinámico segun la reivindicación 1, caracterizado por que los medios de control comprenden una arqueta (13) que alberga una primera cámara de control (16) directamente conectada a través de los medios de conexión hidráulica con aguas arriba y con el interior de la compuerta inflable (4).

3. 3.

   Sistema de control hidrodinámico según la reivindicación 2, caracterizado por que la arqueta (13) alberga una segunda cámara de vertedero (17) que está configurada para recibir agua sobrante de la cámara de control (16) cuando el agua supera un nivel de control (6) en la cámara de control (16).

4. 4.

   Sistema de control hidrodinámico según la reivindicación 3, caracterizado por que la cámara de vertedero (17) está directamente conectada a través de los medios de conexión hidráulica con aguas abajo.

5. 5.

   Sistema de control hidrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el llenado de la compuerta inflable (4) está regulado por la diferencia de alturas entre el nivel aguas arriba (2) y el nivel de agua en el punto de equilibrio (8) de dicha compuerta inflable (4).

6. 6.

   Sistema de control hidrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el llenado de la compuerta inflable (4) está regulado adicionalmente por el nivel aguas abajo (3).

7. 7.

   Sistema de control hidrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 3 a 6, caracterizado por que la arqueta (13) comprende una pared divisoria que define la cámara de control (16) y la cámara de vertido (17).

8. 8.

   Sistema de control hidrodinámico según la reivindicación 7, caracterizado por que la pared divisoria comprende un orificio (11).

9. 9.

   Sistema de control hidrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones

   5 anteriores 3 a 8, caracterizado por que la arqueta (13) es presurizable y por que los medios de control comprenden adicionalmente un equipo de presurización (10) para establecer un valor de presión en la arqueta (13).
10. 10. Sistema de control hidrodinámico según la reivindicación 1, caracterizado por que

    10 los medios de control (13) son electrónicos y comprenden un sensor para la medida de presión en el interior de la compuerta, una válvula con actuador electrónico instalada en un tubo que conecta la región aguas arriba con el interior de la compuerta (tubería de carga), una segunda válvula con actuador electrónico instalada en un tubo que conecta el interior de la compuerta con la región aguas abajo (tubería de descarga) y

    15 un autómata que actúa sobre las válvulas en función de la presión en el interior de la compuerta medida por el sensor de presión.