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ABASTECIMIENTO DE AGUAS
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CAPITULO 6CAPITULO 6
CONDUCCION
CATEDRATICO:CATEDRATICO:CATEDRATICO: CATEDRATICO: M.C. RICARDO A. CAVAZOSM.C. RICARDO A. [email protected]@uanl.edu.mx
CONDUCCION
El agua se transporta desde la fuente a la comunidad en conductos abiertos o cerrados, suministrándose la energía necesaria por g pgravedad o a bombeo.
Las obras destinadas al transporte de agua potable b l b d “ í d C d ó ”reciben el nombre de “Líneas de Conducción”.
Estudios básicos Para el diseño de una conducciónEstudios básicos Para el diseño de una conducción
1. Visitas de reconocimiento a la captación y trazos preliminares de conducciones
2. Definición del tipo de captación y trazo de conducciones
3. Trabajos topográficos (planimetría y altimetría)
4. Identificación de la tenencia de la tierra a lo largo del trazo de conducciones y sitios para estructuras
5. Estudios geológicos y geotécnicos
EJEMPLOS DE ACUEDUCTOS O LINEAS EJEMPLOS DE ACUEDUCTOS O LINEAS DE CONDUCCION
dentificación de conducciones sobre cartografía de INEGI
Acueducto Uayamón – Chiná, Campeche, Camp.TCRTCR––2225+500N
Trazo fuera del DerechoDe vía; L=2.2 Km
Conducción por bombeoDn=40”; L=4 5 Km
11’11’ 7788
1212
1313
10 KK––11
Conducción por gravedadDn=36”; L=21 Km
6’6’
Dn=40 ; L=4.5 Km
655
44332211
006’6’10’10’
99’9’
5
Acueducto Uayamón – Chiná, Campeche, Camp.
100
120
9 m
40
60
80
Elev
ació
n (m
)
Fibro Cemento A-10
HB=6
8.9
20
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Dis tancia (Km )
Fibro Cemento A-10Dn=40” (1000 mm)
L=4.5 Km
PBPB TCRTCR––11 TCRTCR––22
Fibro Cemento A-7, Dn=36” (900 mm), L=21.0 Km
5 m80
100
m)
120
7.75
m
1 m
HB=4
9.25
40
60
Elev
ació
n (m
HB=2
7
HB=2
8.11
PBPB RBRB––112+1000+000 4+200 6+300 8+400 10+500 21+00018+90016+80014+70012+600 25+25023+100
TCRTCRRBRB––22
20
Cadenamiento (m)
PVC Termofusionable, Dn=32” (800 mm), L=25.25 Km
6
Acueducto Actopan – Pachuca, Hgo.N
CT= 1965m
I t ió d PInterconexión de Pozos
Conducción PB-1 a PB-2L=14.6 Km, Dn=48”
CT= 2245m
Conducción PB-2 a TCRL=2.2 Km, Dn=48”
CT= 2520m
Tanque de Entrega
Conducción T-CR a T-EL= 10.7 Km, D=48”
CT= 2520m
Tanque de Entrega
CT= 2464m
Tanque existenteCerro Gordo
CT= 2500m
7
Presa Falcón AcueductoAcueductoPresa FalcónPB1Elev. Terreno=98.45E. Agua Mín.=75.60E. Agua Máx.=95.70Q=36 L/s
NuevaCiudad Guerrero
T.N. 100.00
TCR1
NAcueducto
Falcón – Matamoros, Tamps.
AcueductoFalcón – Matamoros,
Tamps.TCR1
Elev=100.0
CiudadMiguel Alemán
Deriv. 60.50PPot. 55.00T.N. 50.00
MierDeriv. 73.20PPot. 80.00T.N. 50.00
40+0
00
0+00
0 CamargoT.N. 50.00
50
CiudadDíaz Ordaz
Deriv. 50.15PPot. 23.00T.N. 23.00
90+000
0+00
0
Q=111 L/s
110
TCR2Elev=120 00
8
TRAZO MONTERREY VI.
Río TampaónRío TampaónpProyecto Monterrey VI
pProyecto Monterrey VI
Acueducto IITrazo definitivo para el suministro de 1 5 m3/s a la ciudad de Querétaro Qro
Acueducto IITrazo definitivo para el suministro de 1 5 m3/s a la ciudad de Querétaro QroTrazo definitivo para el suministro de 1.5 m3/s a la ciudad de Querétaro, Qro.Trazo definitivo para el suministro de 1.5 m3/s a la ciudad de Querétaro, Qro.
Obra de Toma
Tramo 1Tramo 2
“Infiernillo”
Tanque de Entrega
Túnel
Tramo por GravedadTramo a Presión
Tanquede Regulación
11
Acueducto IITrazo definitivo para el suministro de 1 5 m3/s a la ciudad de Querétaro Qro
Acueducto IITrazo definitivo para el suministro de 1 5 m3/s a la ciudad de Querétaro QroTrazo definitivo para el suministro de 1.5 m3/s a la ciudad de Querétaro, Qro.Trazo definitivo para el suministro de 1.5 m3/s a la ciudad de Querétaro, Qro.
CERRO DEL CHIQUINI
PORTAL DE
ENTRADA DEL
TUNELPORTAL DE SALIDA DEL TUNEL
PB 2
SITIO DE
TOMA Y PB 1
ACUEDUCTO
RIO MOCTEZUMARIO MOCTEZUMA
Tanque de
Planta potabilizadora
Túnel Plantas de bombeo
Tramo de impulsión (24 km)Tramo de gravedad (98 km)
regulación Presa de captación
Visitas de reconocimiento a la captación y trazos preliminares de conducciones
Ejemplos de mala selección del trazo
Línea de conducción para el suministro deagua potable a Cozumel, Qroo.
Línea de conducción sobre elrío Tecolutla, Ver.
13
Sistema Purgatorio - Arcedianopara el abastecimiento de Guadalajara Jalpara el abastecimiento de Guadalajara, Jal.
15
Conducción
Acueducto de Segovia, EspañaLongitud total 15 kmAcueducto elevado 1 kmCaudal máximo 20 L/s
16
Conducción
Acueducto Independencia(El N ill H ill S )(El Novillo-Hermosillo, Son.)
17
Conducción
Acueducto IndependenciaAcueducto Independencia(El Novillo-Hermosillo, Son.)
18
Conducción
Conducciones a superficie libresuperficie libre
19
Fenómenos transitoriosFenómenos transitorios(golpe de ariete)(g p )
Conducción
Fenómenos transitorios(golpe de ariete)
Por cierre brusco en conducciones a gravedad
Por paro accidental de los sistemas de bombeo
21
Esquemas comunes
anti arieteanti ariete.
Conducción
Fenómenos transitoriosDispositivos de protecciónDispositivos de protección
VálvulasAliviadora Reductora De alivio rápido de de presión
Reductorade presión
ppresión
24
Conducción
Fenómenos transitorios
Torre de Dispositivos de protección
oscilación
Sistema Cutzamala A.R.C.T. A.R.C.T.
25
Torre de oscilación
Conducción
Fenómenos transitoriosDispositivos de protección
Tanque Cuchillo-Monterrey
unidireccional
A.R.C.T. Cuchillo-Monterrey27
Tanque unidireccional
Tanque unidireccional #1, acueducto presa cerro prieto.
Conducción
Fenómenos transitorios
González Ortega II
Dispositivos de protección
Cámaras Chapala-Guadalajara
Cámaras de aire
Linares-Monterrey
29
Cámara de Aire
Tanque Unidireccional cerrado.
Este tanque unidireccional cerrado tiene la misma finalidad que el abierto.Su esquema de funcionamiento consiste de un deposito cerrado, en cuyaparte superior se colocan válvulas de admisión y expulsión de aire.p p y p
Plantas de bombeo
Recomendaciones delRecomendaciones delHydraulic InstituteHydraulic Institute
32
Plantas de bombeo
Recomendaciones del
Hydraulic
Recomendaciones del
Hydraulic yInstitutey
Institute
33
Plantas de bombeo
Bombas centrífugas verticalesverticales
34
Plantas de bombeo
Bombas centrífugas h i t lhorizontales
Tipo de impulsores en una b b h i t lbomba horizontal
a) b) c)
d) e)
a) Radial abiertob) Radial semi-abiertoc) Radial cerrado
d) e)
c) Radial cerradod) Axiale) Mixto
35
Plantas de bombeo
Curvas características y punto de operación
12
47
1313
36
Plantas de bombeo
CavitaciónFormación de burbujas de vapor que colapsan violentamente al aumentar la presiónFormación de burbujas de vapor que colapsan violentamente al aumentar la presión.
La cavitación produce ruidos La posibilidad de que una bombaLa cavitación produce ruidos y vibraciones fuertes que
advierten al operador.
La posibilidad de que una bomba cavite se evalúa con la carga de
succión positiva neta.37
Plantas de bombeo
Carga de succión positiva neta (CSPN)N t iti ti h d (NPSH)Net positive suction head (NPSH)
38
Plantas de bombeo
Torres de sumergencia en el sistema Cutzamala
39
Plantas de bombeo
Torres de sumergencia
ARCT
40
Plantas de bombeo
Sistemas de bombas en
iserie
41
Plantas de bombeo
Sistemas de bombas en
paralelo
42
Plantas de bombeo
Sistemas de bombas en
paraleloparalelo
43
i t d t l d sistema de control de líneas de conducciónlíneas de conducción
Definición del sistema de control supervisorio
Tanques de Reserva y
Red troncal del proyecto Acueducto IIDada la orografía del terreno en el que se desarrolló el proyecto,
Cámara de San José el
Alto
Dada la orografía del terreno en el que se desarrolló el proyecto,esta red es compleja y utiliza múltiples medios físicos.
Cámara Tierra Dura
Repetidor 3
Repetidor 1Salida túnel
Repetidor 2
Tanque expositor
UTEQ
PB2
Centro de Control
San Javier BordoPlanta Potabilizadora
•Fibra óptica mono-modo:• Aérea
•Fibra óptica mono-modo:• Aérea
PB1
• En charola en túnel• En tubo (enterrada)
• Fibra óptica multi-modo
• En charola en túnel• En tubo (enterrada)
• Fibra óptica multi-modo• En tubo (en superficie)
• Inalámbricas libre 5,8 GHz
• En tubo (en superficie)
• Inalámbricas libre 5,8 GHz45
Definición del sistema de control supervisorio
SISTEMA SCADA del proyecto Acueducto II
46
CRUCES EN LINEAS CRUCES EN LINEAS DE CONDUCCIONDE CONDUCCION
Permisos de ocupación de derechos de vía, zona federal, cruzamientos, etc.
48
Permisos de ocupación de derechos de vía, zona federal, cruzamientos, etc.
49
ACUEDUCTO MONTERREY V
16. Caminos de acceso, construcción y operación
A d t II66° 66°1.20
4.90
Acueducto II
RVM065RVM065RVM065
48°
Sección 6 x 5 m.
62
Cl ifi ió d lí Clasificación de líneas de conducciónde conducción
ConducciónClasificación de líneas de conducción
gravedad bombeog
bombeo - gravedad64
TUBERIAS USADAS EN SISTEMAS DE ABASTECIMINETO DE AGUA POTABLEABASTECIMINETO DE AGUA POTABLE
Conducción
Materiales de tuberíaFierro galvanizado
Acero
Polietileno de alta densidad (PEAD)
Acero
Hierro dúctil
Poli-cloruro de Vinilo (PVC)
Fibra de vidrio
Fibrocemento
Concreto presforzado
polipropileno 66
Tuberías de fibro-cementoTuberías de fibro cemento(Asbesto -cemento)
Se entiende por tubos de presión de fibro-cemento los conductos de sección circular fabricados con una parte de asbesto y cemento tipo portland Puzolánico.
Los tubos de presión de fibro-cemento se fabrican para presiones internas de trabajo máximas, según la norma oficial mexicana NOM-C-12-2/2-1982, en trabajo máximas, según la norma oficial mexicana NOM C 12 2/2 1982, en las siguientes clases: A-5, A-7, A-10 y A-14, en donde los números 5, 7, 10, y 14 indican la presión interna de trabajo en kg/ cm2 que resisten los tubos.
Las tuberías tienen longitudes generalmente de 4 y 5 metros (Cuadro 6.1 ).
La desventaja de los conductos de fibro – cemento es su baja resistencia mecánica.
Tuberías de plástico, polietileno y cloruro de polivinilo (PVC).de polivinilo (PVC).
Las ventajas de las tuberías de polietileno son: su gran Las ventajas de las tuberías de polietileno son: su gran flexibilidad, que permite su presentación en rollos; su ligereza, ya que pesa ocho veces menos que el acero y tres veces menos y q p q yque el asbesto- cemento; y no presenta corrosión.
En la Norma Oficial Mexicana de calidad vigente actualmente, DGN E/12 1968 b t i i t d l t bl NOMDGN-E/12-1968, para abastecimiento del agua potable NOM-E-22-1977 (serie métrica).
La industria de tuberías plásticas fabrica dos líneas de tubos La industria de tuberías plásticas fabrica dos líneas de tubos hidráulicos de PVC para el abastecimiento de agua potable: la línea métrica, tubos blancos, y la línea inglesa, tubos grises.
Tuberías de plástico, polietileno y cloruro de polivinilo (PVC).
La línea métrica ( color blanco), fue diseñada de acuerdo con el sistema internacional de unidades .La integran 13 diámetros ( de 50 a 630 mm ) y cinco espesores que permiten presiones
á i d t b j d 5 7 10 14 20 k / 2máximas de trabajo de 5, 7, 10, 14 y 20 kg/cm2.
La unión entre tubos y conexiones se realiza mediante el sistema espiga campana con anillo de huleespiga-campana con anillo de hule.
La línea inglesa (color gris), fue diseñada con base al sistema de unidades inglesas y se fabrica en 11 diámetros (de 13 a 200 mm ) En función del inglesas y se fabrica en 11 diámetros (de 13 a 200 mm ). En función del cociente entre su diámetro exterior y su espesor mínimo de pared (RD relación de dimensiones), y las presiones máximas de trabajo, se califican en: RD-41 (7.1), RD-32.5 (8.7), RD-26 (11.2 ) y RD-13.5 (22.4 kg/cm2).e : 4 (7. ), 3 .5 (8.7), 6 ( . ) y 3.5 ( .4 g/c ).
Cuadro 6.2 ventajas y desventajas de las tuberías de PVC
Resistecia a la corrosión y al ataque químico de Alto costo de diámetros de 200 mm y mayores
ácidos, álcalis y soluciones salinas
VENTAJAS DESVENTAJAS
, y
Instalación rápida, fácil y económica Las propiedades mrcánicas de las tuberías de PVC se
Debido a su gasto de absorción permite la pruebaafectan si quedan expuestas a los rayos saolares por
un
hidrostática después de su llenado periodo de tiempo prolongadohidrostática después de su llenado. periodo de tiempo prolongado
Su resistencia mecánica es superior a la de las
tuberías de fibro-cemento Los tubos de extremos lisos requieren mano de obra
Menor pérdida por fricción en comparación con las altamente especializada para unión por el procesoMenor pérdida por fricción en comparación con las altamente especializada para unión por el proceso
tuberías de fibro-cemento, concreto y acero de cementado. Debido a esto, en todos los proyectos
Por su ligereza, el almacenamiento y transporte de de conducciones se especifica el uso de tuberías con
la tubería se facilita notablement4e. Campana y anillo de hule. La campana debe ser
Respecto a su costo de suministro en los diámetros integral
de 50, 60, 75 y 100 m es más barata que las tuberías
de fibro-cemento.
Tuberías de plástico, polietileno y cloruro de li i il (PVC)polivinilo (PVC).
En esta línea existe además del sistema de unión espiga-campana el sistema cementadocampana, el sistema cementado.
Las tuberías de polietileno se fabrican también en cuatro diferentes RD y son aptas para trabajar a las presionesdiferentes RD y son aptas para trabajar a las presiones especificadas en el cuadro 6.5 según las condiciones de operación de la tubería se aplicara un factor de seguridad i l 3 ó 4 l ió d t b j ll ligual a 3 ó 4 veces la presión de trabajo para llegar a la presión de ruptura. El factor 3 f3) se aplica en líneas subterráneas en terreno estable
y al factor 4(f4) se aplica en líneas expuestas a movimientos de terreno o tráfico pesado y líneas a intemperie.
Cuadro 6.5 Presión máxima de trabajo en kg/cm2 para tubos de polietileno (S=44.29kg/cm2)
RD
9 F4=11.1 F3=14.79 F4 11.1 F3 14.7
13.5 F4=7.1 F3=9.4
17 F4=5.5 F3=7.3
21 F4=4.4 F3=5.9
6.2 PIEZAS ESPECIALES Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCION DE BOMBAS Y TUBERIAS.
Las tuberías de conducción están compuestas: (1)p ( )por tramos rectos y curvos para ajustarse a losaccidentes topográficos (2) por cambios que seaccidentes topográficos (2) por cambios que sepresentan en la geometría de la sección, y (3)por distintos dispositi os para el control depor distintos dispositivos para el control deflujo en la tubería o para asegurar que elf d l lí d d ófuncionamiento de la línea de conducción seaeficiente.
Conducción
Elementos de protección y control ió len operación normal
Válvula de mariposa Válvula de admisión ymariposa Válvula de admisión y
expulsión de aire
Válvula de compuerta
Válvula de retenciónVálvula
de esfera 74
Piezas Especiales.
Las conexiones de la tubería en las intersecciones,cambios de dirección, variación de diámetros,accesos a válvulas, etc., se denominancomúnmente como “piezas especiales” y puedenser de fierro fundido, fibro-cemento o PVC,dependiendo del material del que sean los tubos.
Las pie as especiales de fierro fundido son las masLas piezas especiales de fierro fundido son las masempleadas y se fabrican para todos los diámetros detuberías Estas piezas se conectan entre sí o a lastuberías. Estas piezas se conectan entre sí o a lasválvulas por medio de bridas y tornillos y con unempaque. La unión de estas piezas con las tuberías dep q pfibro-cemento, se efectúa utilizando la “junta gibault”y que permite conectar por una de sus bocas unaextremidad de fierro fundido y por la otra una puntade tubería de fibro cemento. El sellamiento se logra
di t l ió j id l b id t illmediante la presión ejercida con las bridas y tornillossobre el barrilete y empaques de hule.
Piezas especiales
La figura 6 6 muestra el caso de una línea de conducciónLa figura 6.6 muestra el caso de una línea de conducciónpor gravedad en la cual la presión utilizable H sereduce en una cantidad h correspondiente a lapdiferencia de nivel entre los extremos de la bolsa deaire, en consecuencia, se reduce el gasto útil de laproducción.
La figura 6.7 muestra el caso en que la conducción espor bombeo. La bolsa de aire produce un aumento depresión p en las bombas, por lo que para conducir el
i fl j d í i t l imismo flujo de energía se incrementa en la mismaproporción del aumento de presión en la bomba.
Por las razones expuestas anteriormente, todosp ,los puntos altos deben estar previstos de lasválvulas que permitan evacuar el aireválvulas que permitan evacuar el aireautomáticamente a medida que se acumula.
El diá d l ál l d l ió d iEl diámetro de la válvula de expulsión de airetambién se le llama, se puede seleccionar deacuerdo al diámetro de la tubería y gasto queconducirá la línea.
Cuadro 6.9 Diámetros de las válvulas de l ió d iexpulsión de aire
Diámetro de la t b í
Gasto en litros por d
Diámetro de la ál ltubería segundo válvula
1/2"a 4" 0 A 12.6 l/s 1/2"
6"a10" 12.7 a 50.4 l/s 1"
12" a 18" 50.5 a 201.6 l/s 2"
20" a 24" 201.7 a 472.5 l/s 3"
26" a 30" 472.6 a819.0 l/s 6" a 8"
Vál l d R t ióVálvulas de Retención.Estas válvulas se usan con el objeto de retener la masa de agua que
se encuentra en la tubería, cuando la bomba suspende suoperación y con el fin de evitar esfuerzos excesivos en lasb b d bid l f ó d l l d i tbombas debido al fenómeno del golpe de ariete.
Válvulas de Compuerta.
La válvula de compuerta se emplea con el objeto de aislar en unt d d l ú l t ió d l i t dmomento dado algún elemento o sección del sistema para poder
efectuar una reparación, inspección o dar mantenimiento, sin quese interrumpa totalmente el servicio.p
Válvulas de mariposa.
Puede sustituir a la de compuerta cuando se requieren diámetrosd i b j l lí ti l t j dgrandes y para presiones bajas en la línea; tienen la ventaja de ser
más ligeras, son de menor tamaño y mas baratas.
Válvulas de GloboVálvulas de Globo.
S l i t lt i t i l d l lSon voluminosas y presentan una alta resistencia al paso del agua, por loque se emplean generalmente, solo en tuberías de pequeñosdiámetros.
ál l li i d válvulas aliviadoras
Las válvulas aliviadoras de presión son empleadas paraproteger el equipo de bombeo, tuberías y demás elementosen la conducción contra los cambios bruscos de presión queen la conducción contra los cambios bruscos de presión quese producen por el arranque o paro del equipo de bombeo.
La válvula está diseñada de tal manera que puede abrirseautomáticamente y descargar al exterior cuando la presiónautomáticamente y descargar al exterior cuando la presiónen el sistema es mayor que aquella con la que fue calibradalográndose con ello el abatimiento de la línea piezométrica.
El cierre de esta válvula también es automático y se logracuando la presión en la línea llega a ser menor que la de suajuste o calibración.
Válvulas de admisión y expulsión de aire.Válvulas de admisión y expulsión de aire.
Son empleadas con el objeto de permitir evacuarp j paire automáticamente a medida que se acumula.El diámetro de la válvula de expulsión de aire seEl diámetro de la válvula de expulsión de aire, sepuede seleccionar de acuerdo al diámetro de latubería de conducción el gasto de conduccióntubería de conducción y el gasto de conducción.
Conducción
Elementos de protección y controlen operación normalen operación normal
Válvula de admisión y expulsión de aireaire
88
6.3.2 Metodología de diseñogLos pasos a seguir para el diseño de una línea de
conducción son los siguientes:conducción son los siguientes:Paso 1 :Trazo planimétrico.Obtener un plano topográfico de la región con curvasObtener un plano topográfico de la región, con curvas
de niveles espaciadas razonablemente y, en su defecto,hacer estudios topográficos siguiendo distintas rutas enp g gdicha región, que permitan estudiar el trazado queimplique la línea de conducción. Los cambios dedirección tanto en el plano horizontal como en elvertical, deben efectuarse por medio de curvas suaves,
ili d l d fl ió i l i d lutilizando la deflexión que permiten las uniones de losdistintos de tubos.
Paso 2 : Trazo altimétrico.Debe hacerse un estudio del trazado en un plano vertical, es decir,p , ,
debe construirse un perfil de dicho trazado. Debe tenerseespecial cuidado de que la línea de conducción se encuentresiempre debajo de la línea piezométrica.siempre debajo de la línea piezométrica.
La figura 6.14 muestra una conducción mal trazada, que tendráió i ( í ) l l b lpresión negativa (vacío) en los lugares que se encuentran sobre la
línea piezométrica. Evidentemente, en los puntos C y en D, endonde la línea piezométrica corta a la tubería, la carga de presión
i l l fé i Si l l id d d lse iguala a la atmosférica. Si la velocidad del agua no essuficientemente grande, en el punto E se desprenderá el aire quelleva siempre disuelto el agua; Además, el aire puede entrar porl j i f d l b í l Clas juntas imperfectas de la tubería entre los puntos C y D. Esteaire modificará la línea piezométrica pasará de la posición HF ala HE. Como el gasto que circula por toda la tubería es el mismo,l lí i é i i i d á l lla línea piezométrica en su parte interior tendrá que ser paralelaa HE y, por tanto, la tubería entre E y G estará sometida a lapresión atmosférica y no trabajará a sección llena.
Si en el perfil aparecen depresiones muyp p p yprofundas, puede ser económico colocardepósitos intermedios llamados “cajasdepósitos intermedios llamados cajasrompedoras de presión”, que tienen porobjeto romper la línea piezométrica lo queobjeto romper la línea piezométrica, lo quedará lugar a tuberías de menor espesor y,
i i d (fipor consiguiente, de menor costo. (figura6.15).
Paso 3: Cálculo hidráulicoPaso 3: Cálculo hidráulico.
Una vez estudiado el trazo planimétrico (paso 1 )y altimétrico (paso 2) de la conducción, sey altimétrico (paso 2) de la conducción, seprocede a calcular su diámetro. Si estáalimentada por gravedad de diámetro estáalimentada por gravedad de diámetro estácompletamente definido. Si está alimentada porb b l bl úl l lbomba, el problema tiene múltiples soluciones yla “mejor” se decide por condicioneseconómicas.
Paso 4: Localización de piezas especiales y p p ydispositivos.
Una vez determinado el diámetro y efectuado eltrazado definitivo, se procede a localizar en elperfil y planta las piezas especiales y dispositivosp y p p p y pde la línea de conducción que corresponda .
Puesta en marcha
1. Llenado programado de la conducción
2 Vaciado programado de la conducción2. Vaciado programado de la conducción
3. Vaciado accidental de la conducción (inclusión de aire y depresión)de aire y depresión)
4. Fallas en acueductos
14 de diciembre de 201296
Llenado programado de la conducción
Protección contra sobrecargasobrecarga
Expulsión de aire
97
Llenado programado de la conducción
98
Vaciado programado de la conducción
D f Desfogue de
acueductosacueductos
99
Vaciado accidental de la conducción (inclusión de aire y depresión)
Paro total de los equipos de bombeointerrupción de energía eléctrica1 - interrupción de energía eléctrica -
Ante el paro de equipos, el gasto valecero y la columna de agua se separay g pen los puntos más altos, permitiendo laentrada de aire y vaciando elacueducto lo que es un inconvenienteacueducto, lo que es un inconveniente,pues habrá que realizar el proceso dellenado nuevamente.
El problema se resuelve con lainstalación de válvulas controladascon actuadores para evitar elcon actuadores para evitar elvaciado del acueducto. No olvidarque los tiempos de cierre no debenproducir fenómenos ondulatorios(transitorios).100
Vaciado accidental de la conducción (inclusión de aire y depresión)
Paro de un equiposi la operación normal es de varios equipos de bombeo y se requiere2 - si la operación normal es de varios equipos de bombeo y se requiere
reducir el caudal de operación -2
101
EL AIRE EN LAS CONDUCCIONES DE AGUA
INTRODUCCIÓN
En ocasiones nos encontramos con una serie deEn ocasiones nos encontramos con una serie deproblemas en una instalación o red hidráulica talescomo roturas repetitivas de tuberías consumo excesivocomo roturas repetitivas de tuberías, consumo excesivode los equipos de bombeo, caudales anormalmentebajos, funcionamiento en general variable, desgaste ybajos, funcionamiento en general variable, desgaste ycavitación destructiva de los materiales, etc., a loscuales no puede darse una explicación lógica ycuales no puede darse una explicación lógica yrazonable.
En la mayoría de los casos, dichos problemas procedende haber olvidado totalmente o en parte un factorde haber olvidado totalmente o en parte un factorimportante y decisivo en el transporte real de fluidos através de redes hidráulicas, y que en muchas ocasionestravés de redes hidráulicas, y que en muchas ocasionesno se le presta la debida atención. A este fenómeno sele prestaría mayor atención si se recordase la siguientefrase: “El agua no viaja sola a través de la tubería”.Efectivamente, dentro de una red hidráulica, ademásd l d t i f d b ldel agua podemos encontrar aire formando bolsas oburbujas, y su presencia puede afectar de formaimportante el comportamiento de la instalaciónimportante el comportamiento de la instalación,pudiendo ser la causa de los problemas defuncionamiento descritas anteriormente.
Para evitar estos trastornos debido a la existencia de aire en la tubería, es necesario disponer en ellas de sistemas capaces de eliminarlo y controlarlo adecuadamente. Dichos sistemas o dispositivos son las denominadas válvulas de aire, que permiten sacar el aire evitando los problemas descritos. Dichas válvulas deberían estar bien
t l t d l té i di ñ l presentes en la mente del técnico que diseña, el instalador que construye y el personal que opera la red hidráulica prestando especial atención tanto a red hidráulica, prestando especial atención tanto a su selección como a su localización, instalación y mantenimientomantenimiento.
CAUSAS DE LA EXISTENCIA DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES
Causas propias del fluido
El contenido de aire disuelto en el agua depende de diferentes factores tales como la presión y la temperatura A mayor presión el contenido tales como la presión y la temperatura. A mayor presión, el contenido de aire disuelto en el agua es mayor. Por lo contrario, a mayor temperatura, el contenido de aire disuelto disminuye.
A una temperatura de 20 °C y presión de 1 kg/cm2, el contenido de aire disuelto en el agua es de 20 l/m3 Un aumento de la temperatura o disuelto en el agua es de 20 l/m3. Un aumento de la temperatura o una reducción de la presión dentro de la tubería producen su liberación, formando burbujas o bolsas de aire.
En una tubería expuesta al sol o tuberíaenterrada que pueda tener un efecto decalentamiento, la temperatura del agua aumenta,, p g ,produciéndose esta liberación del aire disuelto.
Los cambios en la pendiente de una tuberíaproducen cambios en la presión dentro de lamisma. En los puntos elevados de la conducción,p ,la presión disminuye, liberándose el aire disueltoy formándose bolsas de airey formándose bolsas de aire.
Causas propias del sistema) E t d d i d l t ia).- Entrada de aire del exterior.
Cuando el agua fluye desde lugares abiertos a la atmósfera hacia el interior de una tubería se aspira junto con ella una gran cantidad de interior de una tubería, se aspira, junto con ella, una gran cantidad de aire en forma de pequeñas burbujas. Este efecto se incrementa si existe una gran turbulencia a la entrada, produciéndose una mezcla del aire con el agua.
Cuando el agua fluye por una tubería parcialmente llena y pasa a otra completamente llena, se produce la aspiración de aire.
La aspiración de aire puede ocurrir a través de accesorios defectuosos, orificios o válvulas de estrangulación, si se producen condiciones de g , pdepresión dentro de la tubería (puntos por encima del gradiente hidráulico).
b) A i ió d i t i d b bb).- Aspiración de aire en estaciones de bombeo.Al poner en marchas el equipo de bombeo, el aire
l d d l b bacumulado en sus partes internas (cuerpo de la bomba, tubos de impulsión y aspiración) es comprimido y
d l dempujado a la red.
La acción del vórtice en las aspiraciones de bombeo también produce la succión de cantidades importantes de p paire, pudiendo llegar hasta el 10% del caudal.
c).- Descarga incompleta de aire durante el llenado de la tubería
El aire atrapado en la tubería cuando la instalación está parada no es completamente expulsado durante el llenado de la misma. Este aire irá desplazándose por la conducción por el efecto de llenado de las zonas parcialmente vacías hasta quedar atrapado en los puntos elevados o críticos.
d).-Entrada controlada de aire para evitar presiones negativas
Para evitar la depresión que se genera en el proceso de vaciado de la tubería, y que puede producir el colapso de la misma, se recomienda permitir la entrada de aire de forma controlada al interior de la conducción.
Resumen de las recomendaciones de localización de las válvulas de airelocalización de las válvulas de aire
Puntos en que la pendiente de la tubería varía respecto a la línea piezométrica (tanto incrementando o disminuyendo la pendiente): piezométrica (tanto incrementando o disminuyendo la pendiente): doble efecto.
Puntos elevados de la tubería: doble efecto.
Ramales largos de pendiente uniforme: doble efecto cada 500 a 1000 metros.
Salida de los grupos de bombeo: efecto cinético en un punto alto antes de la válvula de retención.
A la entrada de instrumentos de medición (contadores): doble efecto.
A la salida de válvulas reductoras de presión: efecto automático.
Reducciones de diámetro de la tubería: efecto automático.
Fallas en acueductos
111
23. Fallas en acueductos
112
24. Encuesta en obras de toma
113
25. Encuesta en líneas de conducción
114
26. Encuesta en plantas de bombeo y potabilizadoras
115
27. Cuestionario para evaluar riesgos
116
28. Cuestionario para evaluar riesgos
117
6.3.3 Fórmulas para el cálculo de la resistencia ppor fricción o superficial en tuberías.
En Líneas de conducción largas, la resistencia por fricción o superficial,ofrecida por el interior del tubo es el elemento determinante en sudiseño hidráulico En esta sección se presentarán las principales fórmulasdiseño hidráulico. En esta sección se presentarán las principales fórmulasque se utilizan en los ejemplos de diseño desarrollados en este capítulo yque se aplican también en el diseño.
Fórmula de DarcyWeisbach.H= es la pérdida de carga
L= longitud de una tuberíav velocidad del fluido
Hf = f(L ) (v ) --- 6.1
D 2g
v = velocidad del fluidoD = diametro de tuberia
g = aceleración de la gravedadD 2g f = factor adim. de fricción.
Fórmula de Hazen Williams.Donde:
Q= 405 C D ^ 2.63 S ^054
Donde:
Q= es el gasto en galones /día.
C= es el coeficiente de capacidad hidráulica del conducto.
D= es el diámetro en pulgadas.
S= es el gradiente hidráulico.
En el sistema métrico la fórmula se transforma en :
Q= 35.834 X 10^ 7 C D ^ 2.63 S ^ 0.54
Donde:
Q= es el gasto en l/s yQ= es el gasto en l/s y
D=diámetro en mm.
Hazen WilliamsEn un sistema mixto :
Q= 0.0177435938 C D ^ 2.63 S ^ 0.54
Donde:
Q= es el gasto l/s y
D= es el diámetro en pulgadas
Fórmula de Manning.A l i í ili l fó l H Willi A l i í ili l fó l H Willi Aunque lo mas conveniente sería utilizar la fórmula Hazen-Williams en conducto de flujo libre o conductos que no fluyen llenos. Los lineamientos técnicos para la elaboración de estudios y proyectos de agua potable y
Aunque lo mas conveniente sería utilizar la fórmula Hazen-Williams en conducto de flujo libre o conductos que no fluyen llenos. Los lineamientos técnicos para la elaboración de estudios y proyectos de agua potable y p y p y g p yalcantarillado sanitario (CNA,1993), sugieren el uso de la fórmula de Manning en conductos que no fluyen llenos.
p y p y g p yalcantarillado sanitario (CNA,1993), sugieren el uso de la fórmula de Manning en conductos que no fluyen llenos.
La fórmula de Manning se escribe:La fórmula de Manning se escribe: en donde:
V= velocidad media
V= (1/n) (R^2/3) (S^ ½)... (6.5)V= (1/n) (R^2/3) (S^ ½)... (6.5) del agua en m/s
n= coeficiente de rugosidad d l b íde la tubería
R= radio hidráulico de la tubería en mde la tubería en m
s= pendiente hidráulica
RECORDANDO QUE....En donde
ht= pérdida de carga por fricción, en m
S = h
L
L= longitud de la línea de conducción en m Q= gasto por conducir en m3/sD diámetro de la tubería en mL D=diámetro de la tubería en m
R= A
P
En dondeA= área hidráulica del conducto yP A= área hidráulica del conducto y
P= perímetro mojado entonces R=R
Sustituyendo en (6.5)
V= (1/n) (D/4)^2/3 ( h/L ) ^1/2V (1/n) (D/4) 2/3 ( h/L ) 1/2
Por otra parte la educación que define Por otra parte, la educación que define el gasto es:
Q= AV = nD2 V
4
-Sustituyendo (6 7) en (6 6)Sustituyendo (6.7) en (6.6)
Q= nD2 1 (D)^2/3 (h ) ^1/2
4 n 4 L4 n 4 L
-Operando
Q=0.3117 (D^8/3) (hf ^1/2) / (L^1/2) nQ ( ) ( ) ( )
D – mHf – mLL – m
Q – m3/s
Despejando h,
hh1/2 = n L1/2 Q
0.3117 D8/3
Elevando al cuadrado
hf= (10 3) ( ^2) (Q ^ L)hf= (10.3) (n^2) (Q ^ L)
(D ^ 15/3)
Si K = (10 3) (n ^ 2) la ecuación (6 8) queda:Si K = (10.3) (n 2) la ecuación (6.8) queda:
(D ^ 15/3)
hf= K* L (Q ^ 2)
E t d l l l id d í iEn todos los casos, la velocidad mínimade escurrimiento para que no se p qproduzca sedimentación en los
d d conductos es de
0 3 m/s0.3 m/s.
escurrimiento del agua en los distintos tipos de tuberías y coeficientes de rugosidad correspondiente.
Tubería de: Velocidad máxima n c
permisible (m/s) Coeficiente de Coeficiente de
rugosidad de Marning capacidad hidráulica
Concreto simple hasta 0,45m 3.0 0.011 140
de diámetro.
Concreto reforzado de 0,60 m 3.5 0.011 140
de diámetro o mayor.
Fibro-cemento. 5.0 0.010 140
Acero Galvanizado 5.0 0.014 140
Acero sin revestimiento 5.0 0.014 140
Acero con revestimiento 5.0 0.011 140
Polietileno de alta densidad 5.0 0.009 140
PVC (policloruro de vinilo) 5 0 0 009 140PVC (policloruro de vinilo) 5.0 0.009 140
6 3 4 Conducciones por gravedad 6.3.4 Conducciones por gravedad CALCULO HIDRAULICO
El escurrimiento del agua por gravedad en una tubería, id d l ú l d lib i considerando el caso común en que la descarga es libre, se rige
por la expresion:
H = (V^2) / 2g + hf +hsDonde:
H = carga hidraulica disponible (m)(V^2) / 2 d l ( )(V^2) / 2g = carga de vel. (m)
Hf = perdida por friccion en la tuberia (m)Hs = suma de perdidas Secundarias (m)Hs suma de perdidas Secundarias (m)
En el cálculo hidraulico de una conducción, conocidas:
d bl “ ”a) La carga disponible, “H”
b) La longitud de la linea, “L”
Datos que se obtienen de los trazos altimétrico y planimétrico de la conducción se determina:conducción, se determina:
a) El tipo de tubería (fibro – cemento, PVC, acero
b) El diametro comercial.) .
c) La clase de tuberia por usar, de acuerdo a ñas presiones de operación.
Ejemplo 6.2j pCon relación a la figura 6.18 a, es necesario un gasto en el
punto de descarga (B) de 400lt/s (Qmd =400l/s) a unapresión de 3.5 kg/cm (35m de columna de agua). Efectúeseel cálculo hidráulico de la línea de conducción asumiendoque las pérdidas menores son un 15% de las de fricciónque las pérdidas menores son un 15% de las de fricción.
N t L lí d d ió t i B híNota: La línea de conducción no termina en B, pero ahí sepresentará una derivación y por esta razón se requiere lacarga indicada en ese punto.carga indicada en ese punto.
Solución:Solución:En este problema se requiere una presión en el punto B de 3.5
kg/cm2 equivalente a una carga de 35 00 metros de columnakg/cm2 equivalente a una carga de 35.00 metros de columnade agua, y como puede verse en a figura 6.18b, en dicho puntose tiene una carga estatica de 74m. Por este motivo sólo segtendrá disponible para consumirla en pérdidas, la diferencia osea 39.00 metros.
E tEsto es:CARGATOTAL DISPONIBLE = 74 m – 35 m = 39m.Esta es la carga que se tiene para absorber las pérdidas mayores yEsta es la carga que se tiene para absorber las pérdidas mayores y
menores, o sea:hf + hs = 39 m
pero hs = 0.15 hf según se indica en el enunciado, así tenemos
hf + 0.15 hf = 39 m
hf = 39 = 33.91 m1 151.15
Con la ecuación 6 8 puede calcularse el diámetro:Con la ecuación 6.8 puede calcularse el diámetro:
hf = 10.3 n2 Q2 Lhf 10.3 n2 Q2 LD16/3
Despejando el diámetro
D = (10.3 n2 Q L) 3/16hfhf
Suponiendo la instalación de tubería de fibro-cemento:p
n= 0.010 (cuadro 6.10)Q= 0.4 m3/sL= 2050 mhf 33 9 hf= 33.91 m
SUSTITUYENDO...
D= ( ( 10.3 (0.010)^2 (0.4)^2 (2050) ) / (33.91) ) ^ 3/15
D= 0.42 m (diametro teórico)
D= 420 D= 420 mm
El diametro comercial mas aproxomado es de 400 mm, pero al reducir el diametro se aumentaría la pérdida y entonces ta no se reducir el diametro se aumentaría la pérdida y entonces ta no se cumpliría con la carga requerida de 35 m en la descarga. Por este motivo se usará un diámetro sensiblemente mayor al teórico.y
D= 450 mm (tomado del cuadro 6.1)
Ahora se revisará qué sucede con las perdidas y la carga disponible al haber aumentado el diámetro:
^ ^ ^hf = ((10.3)(0.010)^2 (0.4)^2 (2050)) / (0.45)^16/3
hf = 23.89 m
Una variacion tan pequeña en el diametro ha provocado una d ó f d l é d d h b l d disminución significativa de la pérdida. Si se hubiera utilizado D = 400 mm, la pérdida sería
hf = 44 78 hf = 44.78 m
Recuerdese que debe revisarse que la velocidad se encuentre entre los limites permisibles; para fibro-cemento :limites permisibles; para fibro cemento :
0.3 m/s < V < 5 m/s
(cuadro 6.10)(cuadro 6.10)
V = Q/A = 0 4 / π (0 45)^2 / 4V Q/A 0.4 / π (0.45) 2 / 4
V = 2.52 m/s
La velocidad es aceptable La velocidad es aceptable
Calculando el diametro sólo resta definir la clase de tuberia de fibroCalculando el diametro sólo resta definir la clase de tuberia de fibro-cemento que resista las presiones internas de trabajo de este sistema.
Ejemplo 6.3
La figura 6.19 muestra la línea de conducción de la obra de captaciónal tanque de regularización de un sistema de abastecimiento parauna población de proyecto de 14700 habitantes. La dotación esde 200 l/hab/día con un coeficiente de variación diaria de 1.25.L b í d Fi F did l i i d d lLa tubería de Fiero Fundido y el suministro desde elalmacenamiento al tanque es continuo durante 12 horas al día.
a) Calcular el diámetro económico de la línea de conducción.
b)T l lí i ét i d l l ió d t db)Trazar la línea piezométrica de la solución adoptada.
Solución:Solución:
Cálculo del gasto máximo diariog
QMD = 200 * 14700 * 1.25 = 42.53 l/s
86400
Pero como el suministro es solo 12 horas al día el gasto de diseñoserá
Q= 24 QMD = 2 (42.53) = 85 l/s
12
Q= 0.085 m3/sQ
a) El gradiente hidráulico es
S= H = 1043.75 - 998.12 = 9.31 * 10^ -3
L 4900
De la fórmula de Hazen yWilliams:
Q=(35.834 * 10^ -7) ( C ) (D^ 2.63) (S^ 0.54)
Como C= 130 (Cuadrado 6 10) el diámetro se obtiene porComo C 130 (Cuadrado 6.10), el diámetro se obtiene porsimple despeje
D= ( 85 ) ^ 1/263D ( ________85_______________________ ) 1/263
35.834 * 10^ -7 * 130 (9.31 * 10 ^ -3) 0.54
D = 261 mmD 261 mm
De existir un diámetro comercial de 0.26 m, sería el diámetroeconómico de la línea de conducción ya que con este seeconómico de la línea de conducción ya que con este seconsumiría por pérdidas de fricción la totalidad de la cargadisponible que es igual al desnivel existente (1043.75 – 998.12
45 63 )= 45.63 m)
Si b l diá t i l á i dSin embargo, los diámetros comerciales más aproximados sonuno inferior y otro superior al teórico calculado, o sea 10 y 12pulgadas ( 0.254 y 0.305 m respectivamente)p g ( y p )
Como el diámetro de 10 pulgadas produciría una pérdida decarga mayor que la carga disponible, se optará por el diámetrode 12 pulgadas.
b) La pérdida de carga se presenta en la tubería con el diámetro de 12 pulgadas es:
S= ( Q ) ^ 1/054S (________Q___________) 1/05435.834 *10^ -7 C D^ 2.63
S= (__________85_________) ^ 1/05435.834 *10 ^ -7 130 (305)^ 2.63
S= 4.4 *10^ -3
Como S= H , H= SLL
H=4 4 * 10-3 * 4000 =21 56 mH 4.4 * 10-3 * 4000 21.56 mH=21.56 m
La línea piezométrica se muestra en la figura 6.20p g
Ejemplo 6.4 j pDiseñar la línea de conducción del ejemplo6.3 combinando dos
tramos de diámetro diferente para que se consuma por perdidas defricción la totalidad de la carga disponible.
Solución
La figura 6.21 muestra el planteamiento del problema al seccionar lalí d d ió d t d dif t diá tlínea de conducción en dos tramos de diferente diámetro.
En la figura 6.21 se observa que :
L1 + L2 LL1 + L2 = L
H1 + H 2 = H
o bien
L1 + L2 = L
S1 L2 + S2 L2 =
En el ejemplo 6.3 se determinó un diámetro teórico de 0.26m yen consecuencia los diámetros comerciales más aproximadosson de 10 pulgadas ( 0.254m ) y 12 pulgadas ( 0.305 m); estosdiámetros se utilizarán en la solución de este problemadiámetros se utilizarán en la solución de este problema.
S tit d l i (6 11) ( 6 12) tiSustituyendo en las ecuaciones (6.11) y ( 6.12), se tiene:
L1 + L2 = 4900
(85/ (35 834 * 10^ 7 * 130 (305)^2 63))^1/0 54 L1(85/ (35.834 * 10 -7 * 130 (305) 2.63)) 1/0.54 L1+
(85/ (35 834 * 10^ -7 * 130 (305)^2 63))^1/0 54 L2(85/ (35.834 10 7 130 (305) 2.63)) 1/0.54 L2
= 45.63
En donde D = 0.305 m1 D2 = 0.254 m. y la incógnita es lalongitud que deben de tener los tramoslongitud que deben de tener los tramos.
Resolviendo el sistema de ecuaciones se obtiene:Resolviendo el sistema de ecuaciones, se obtiene:
L1 = 1065.21 mL1 1065.21 mL2 = 3834.79 m
6.3.5 Conducción por bombeop
Cálculo hidráulicoCálculo hidráulico
La carga de presión Hm generada por la bomba es llamada generalmente “ carga manométrica”, o “carga dinámica total”, e indica siempre la energía d d l l b bdada al agua a su paso por la bomba.
Para la protección del equipo de bombeo y de la tubería deconducción se deben considerar los efectos producidos por elconducción, se deben considerar los efectos producidos por elfenómeno denominada Golpe de Ariete.
Se denomina GOLPE DE ARIETE a la variación de presión deuna tubería por encima o por debajo de la presión normal deuna tubería por encima o por debajo de la presión normal deoperación, ocasionada por rápidas fluctuaciones en el gastoproducidas por la apertura o cierre repentino de una válvula opor el paro o arranque de las bombas, ya sea en condiciones deoperación normales o por una interrupción de la energíalé i d ili l i leléctrica, cuando esta se utiliza en los motores que impulsan a
las bombas.
Para el cálculo de sobre presión por golpe de ariete se ha adoptado laformula de N Joukovsky (1898) que se escribe a continuaciónformula de N. Joukovsky (1898) que se escribe a continuación.
T = 2 L tiempo de cierrea
La formula es :hi= 145V para T = 2L (6.15)
_______ a1 + EaD
Ete
REPRESENTANDO:
h1 = b ió d i i l h1 = sobre presión de inercia por golpe de ariete en m
V= velocidad del agua en la tubería en gm/s
Ea= módulo de elasticidad del agua, en kg/cm2
Hi = 145 V / 1 + EaD/ Ete
T 2L/ kg/cm2
D= diámetro interior de tubería en cm
para T = 2L/a
e= espesor de la tubería en cm
Et = módulo de elasticidad del material de la tubería en kg/cm2de la tubería en kg/cm2
L= Longitud de la tubería en m
l id d d l d d ió a= celeridad de la onda de presión en m/s
EJEMPLO 6.6Determinar el diámetro más económico de la línea de conducción por
bombeo desde la obra de captación hasta el tanque regularizador que sel fi 6 27muestra en la figura 6.27
Y LA CARGA TOTAL QUE SE PUEDE PRESENTAR.
Datos
Gasto Máximo Diario QMD = 375 l/sBombeo continuo las 24 horasEficiencia del equipo de bombeo n = 70 %Costo por K.W.H. $ 20.00p $Precios Unitarios ( ver cuadro 6.12)
Solución
De acuerdo con los datos anteriores se tiene:Carga estática:gEvolución de descarga 244.70Elevación succión 200.00Carga estática = 44.70 mgEsta carga implica una presión P = 4.47 kg/cm2Pérdidas mayores
Proponiendo una velocidad en la tubería de 2.0 m/s para calcular undiámetro, se tiene:
Q =Va – A= Q = 0.375 = 0.1875 m2v 2
Como el área de la sección transversal es
A= 0.785 D^2
Despejando
D = __A__ ^ 1/2 = 0.1875 ^ 1/2 = 0.489 m
0 785 0 7850.785 0.785
D= 0.489 m = 19.24 pulgadasD 0.489 m 19.24 pulgadas
Pero esto es un diámetro teórico, el diámetro comercial másaproximado es de Dc = 500 mm (20 pulgadas). Naturalmenteque al usar este diámetro la velocidad será diferente a lasupuesta en un principio esto essupuesta en un principio, esto es
v= Q = ____0.375___ = 1.91 m/sA 0.785(0.5)^ 2
Es decir, A= 0.196 m2Para el cálculo de las pérdida mayores se emplea la ecuación
hf = KLQ2, donde K = 10.3 n^ 2D^ 16/3
L i d L 4800Longitud L= 4800 m
Q2= 0.1406
Si se usa tubería de fibro-cemento, el coeficiente de fricción de Manningcorrespondiente es n = 0.010, así:
K= 10.3 (0.010)2 = 0.041520.516/3
hf= 0.04152 (4800) (0.1406)hf 0.04152 (4800) (0.1406)hf= 28.02 m
La carga dinámica total, despreciando las pérdidas secundarias,será:será:
H= Carga Estática + Pérdidas mayores = 44.70 + 28.02g y
H= 72.72 m
La potencia de equipo de bombeo que debe ser suministrada es
P= γ Q H con Q en m3/s76ηη
IY si el gasto se expresa en l/s entonces P se puede escribir
IP= Q H .................... (6.17)
76 n76 nHecho en esta forma:
QH= 375 (72.72) = 27270n= 70%n 70%76 n = 76 (0.70) = 5320
P= 27270 = 512.59 H.P.53.20
Sobrepresión por golpe de arietep p g p
Se tienen los siguientes datos para sustituirlos en la fórmula deJoukov (ecaución 6.15)
v= 1.91 m/sEa = 20670 kg/cm2Et= 328 000 k / 2Et= 328 000 kg/cm2d= 50 cme= 5 8 cm de espesor de la pared del tubo de fibro cementoe= 5.8 cm, de espesor de la pared del tubo de fibro-cemento
clase A-1
la fórmula es
hi= 145 v__________________
Ea d1 + Ei e
145 v = (1.91 = 276.95Ea d= 20670 (50) =1083500Ea d= 20670 (50) =1083500Ei e = 328000 (5.8) = 1902400
Ea d = 0.54; 1 + Ea d = 1.54;Ei e Ei e
__________
dEa d =1.24
1+ Ei e
Q dQueda
hi= 276 95 = 223 34 mhi= 276.95 = 223.34 m
1.24
Sobrepresión absorbida por la válvula 80%223 34 * 0 8 = 178 67 m223.34 0.8 178.67 m
Sobrepresión absorbida por la tubería 20%p p
la carga normal de operación (carga dinámica total) es. Segúnhemos calculado:hemos calculado:
H= 72.72 m
Por lo tanto, la carga total que se puede presentar es:
Ht= 20% hi + carga normal de operación
6.4 Instalación de tuberías
Las tuberías se instalan sobre la superficie, enterradas o combinandop ,estas dos maneras.
Esto dependerá de:
topografía
clase de tubería
geología del terreno
por ejemplo en un terreno rocoso es probable que convengap p p q gllevarlas superficialmente. En el tipo de instalación que seadopte, también se deben considerar otros factores
l d l ó d l lí í b írelacionados con la protección de la línea y así, una tuberíaque esta propensa a deterioro o mal trato de personas yanimales es preferible enterrarla especialmente cuando es deanimales es preferible enterrarla especialmente cuando es defibro-cemento(cuadro 6.14).
cualquiera que sea la forma de instalación ,se deberán evitar en loposible los quiebres tanto horizontales como verticales con elposible los quiebres, tanto horizontales como verticales, con elobjeto de eliminar codo y otras piezas especiales necesarias paradar los cambios de dirección. Esto quiebres aumentan laspérdidas de carga, el costo de la instalación y en ocasionespuede propiciar el confinamiento del aire mezclado con elaguaagua.
Es conveniente hacer un plano de la instalación de línea de conducción,p ,que indique claramente la ubicación de las válvulas de protección(Check, alivio, eliminadora de aire, etc) y control, así como codos,atraques o machones silletas y juntas de dilataciónatraques o machones, silletas y juntas de dilatación.
6 4 1 silletas6.4.1 silletasOrdinariamente las tuberías de acero empleadas son apoyadas sobre
silletas. Para determinar el espacio máximo entre silletas de unatubería de acero, ésta se supone como una viga continua y uncantiliver formado por el extremo de la tubería que se conecta acantiliver formado por el extremo de la tubería que se conecta auna junta de dilatación.
6.4.2 AtraquesCon este nombre se le designan a ciertos apoyos de concreto que se
emplean en las líneas de conducción a presión y su localización enun sistema hidraulico depende de las necesidades del proyecto:un sistema hidraulico depende de las necesidades del proyecto:bifurcaciones, válvulas, codos, etc.
Desde el punto de vista hidráulico el problema se resuelvep pdeterminando la resultante de los empujes hidroestáticos ydinámico que, actuando en las paredes de las tuberías, se
i ltransmiten al atraque.
Ejemplo 6.7
En una línea de conducción se ha instalado un codo de 45grados,de 25 pulgadas de diámetro La tubería conduce un gasto dede 25 pulgadas de diámetro. La tubería conduce un gasto de453 l/s. El codo se encuentra localizado a 1.8 km aguas debajode un tanque que tiene una carga piezométrica de 33 m elq q g pcoeficiente de capacidad hidráulica de la tubería es C = 140.Para determinar la fuerza resultante producida por la presiónd l l d b b d d ddel agua en el codo para ser absorbida por medio de unatraque.
Solución Como se definió antes :Como se definió antes :
F = 2 S ( P + γ V^ 2) sen Eg 2g 2
Donde:
F = Fuerza total sobre el codo en kgF Fuerza total sobre el codo en kg.
S = Área de la sección transversal en m2
ó l b í l d l d b d l l d dP = Presión en la tubería ( incluyendo la debida al golpe de ariete en caso depresentarse) en kg/m2
V =Velocidad del agua en la tubería en m/sV =Velocidad del agua en la tubería en m/s
E = Angulo de deflexión de la tubería.
g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
En nuestro ejemplo D = 24 pulgadas = 0.6096m
A = D2 = ( 0.6096) 2 = 0.292 m2
4 44 4
Q = 453 l/s = 0.453 m3/s
A si queA si que
V = Q = 0 453 = 1 55 m/sV = Q = 0.453 = 1.55 m/s
A 0.292
Presión interior de la tubería = carga piezometrica perdidasg p ppor fricción
Con la formula de Hazen yWilliams:Q = l/ s
0.54 QD = pulgadas
h f = ______________
0.0177435938 C D^ 2.63L = metros
C = 140
Sustituyendo estos valores :
hf = 0.54 453 (1.8 x1000)hf 0.54 453 (1.8 x1000)
0.0177435938 (140) ( 24)^ 2.63
hf = 5.25m
Luego la presion en la tubería ( no se considera el golpe de ariete )es:
P = 33 – 5.25 = 27.75 m = 27750 kg/m2
F = 2(0.292) ( 27750) + ( 1000 x 1 55 2) sen 45
9.81 2
F = 6256 kg ; fuerza que obra sobre el tubo hacia afueraF 6256 kg ; fuerza que obra sobre el tubo , hacia afuera .
Con un factor de seguridad de 1.2
F = 6256 x 1 2 = 7507 kgF = 6256 x 1.2 = 7507 kg
El peso volumétrico del concreto es yc = 2400 kg/m3 ysuponiendo un ángulo de fricción entre el materia de atraque ysuponiendo un ángulo de fricción entre el materia de atraque yel suelo AA = 30grados, se obtiene el peso del atraque
P = 7507 = 13002 kg
tan 30gstan 30gs
y el volumen de concreto necesario :y el volumen de concreto necesario :
V = 13002 = 5 42 3 d tVc = 13002 = 5.42 m3 de concreto
2400
