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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA E.A.P. INGENIERIA CIVIL ESTRUCTURAS Alumnos: Bendezú Carranza Roberto Paria Ramon Pedro. Miranda Blas Paul Sánchez Vidal Leonardo. Nuevo Chimbote, 05 de Marzo del 2013 Titulo: “Sifones hidráuli Profesor: ING. Edgar

SIFON INVERTIDO

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA

E.A.P. INGENIERIA CIVIL

INDICE

ESTRUCTURAS

Alumnos:Bendezú Carranza RobertoParia Ramon Pedro.Miranda Blas PaulSánchez Vidal Leonardo.Vásquez Hernández Luis

Nuevo Chimbote, 05 de Marzo del 2013

Titulo:“Sifones invertido consideraciones de diseño hidráulica y estructural, cargas actuantes, esfuerzos de corte. Caso de

Profesor: ING. Edgar Sparrow.

EAPIC.: ING.

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ING. Edgar Sparrow. SIFONES

I. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: 1.1 ¿QUÉ ES UN SIFON?

1.2 TIPOS DE SIFONESA. SIFON NORMAL B. SIFON INVERTIDO

1.3 TIPO DE SIFONES INVERTIDOS1.4 FACTORES QUE SE DEBEN DE TOMAR EN CUENTA EN EL DISEÑO DE UN SIFON INVERTIDO

II. CRITERIOS DE DISEÑO PARA SIFON INVERTIDO II.1 CALCULO HIDRAULICO2.2 PARTES QUE COMPONEN EL SIFON INVERTIDO

III. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UN SIFON INVERTIDO: III.1 EJEMPLO : PASOS PARA EL DISEÑO DE UN SIFON

INVERTIDO

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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INTRODUCCION

El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un

obstáculo topográfico y conducir un fluido mediante una tubería a

presión, diseñándose como una tubería simple. Es notable la utilidad que

tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de

realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría

mayores costos elevando el monto del proyecto.

Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de

canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y

quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas

conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba

y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón

invertido .Los estudios económicos y las consideraciones topográficas,

geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro

tipo de estructura.

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SIFONES

I. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

1.1 ¿QUÉ ES UN SIFON? Son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos como un rio una depresión del terreno u otro canal.

1.2 TIPOS DE SIFONES

A. SIFON NORMAL: Llamado también sifón conduce el agua pasando sobre el obstáculo como se muestra en la fig. a y su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua aña entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacio en el interior del conducto, entonces las diferencias de presión entre la entrada (presión atmosférica) y el interior de conducto(presión cero o próxima a cero) hace que el agua fluya en forma ascendente hacia la cresta A el agua cae hacia la rama derecha por efecto de gravedad, dejando un vacio en la cresta lo que hace que el flujo se a continuo

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ING. Edgar Sparrow.mientras no se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada del sifón debe estar siempre ahogado, un ejemplo muy común es la utilizada por los agricultores para aplicar agua a los surcos a través del borde del canal.

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B. SIFON INVERTIDO: Llamado así por su posición respecto al normal conduce el agua pasando bajo un obstáculo. El principio de funcionamiento es diferente en este tipo el agua funciona por efecto de gravedad, por principio de vasos comunicantes, el agua trata de alcanzar el mismo nivel en las dos ramas. Se ve que en este tipo de sifón no es necesario producir el vacio del conducto. El sifón invertido es el más usado en los canales principalmente para cruzar causes naturales. En la fig. b se muestra el esquema de este tipo de sifón.

El sifón invertido consta de las siguientes partes:1. Deposito de azolve2. Limitador de gasto3. Transición de entrada4. Compuerta de entrada5. Conducto 6. Válvula de purga7. Transición de salida

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1.3 TIPOS DE SIFONES  Los principales tipos de sifones son los que  se indican a continuación:

a)  Ramas  oblicuas,   se  emplea  para  cruces  de  obstáculos  para  lo que  se  cuenta  con  suficiente desarrollo.

 b)   Pozo  vertical,  con  una  o  dos  ramas  verticales,  son  preferidos para  emplazamientos  de  poco desarrollo o en caso de grandes

dificultades construidas.

c)           Ramas verticales,  similar al inciso b

d) Con  cámaras de limpieza,  tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas

 El sifón invertido es una obra de costo relativamente elevado y presenta dificultades de limpieza y desobstrucción, razón por la cual debe ser

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ING. Edgar Sparrow.utilizado solamente después de un estudio comparativo con otras alternativas

1.4 FACTORES QUE SE DEBEN DE TOMAR EN CUENTA EN EL DISEÑO DE UN SIFON INVERTIDO

CARGAS DE DISEÑO PARA TUBERÍAS-SIFONES

Un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.

Cargas por la presión de diseño

Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal.

Cargas por peso

a. Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.b. Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de procesoc. Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

Cargas dinámicas

a. Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento

b. Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos

c. Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos

d. Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento.

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VelocidadesPara obtener una buena auto-limpieza en el sifón, el objetivo fundamental de un proyecto consiste en  garantizar  una  condición  de escurrimiento  tal,  que  por  lo  menos  una vez por  día  propicie  la auto-limpieza  de  las  tuberías  a  lo  largo  del  periodo  de  proyecto. Para  esto,  es  necesaria  la determinación minuciosa de los caudales de aguas Residuales afluentes al sifón.

Un  criterio  de  dimensionamiento,  qué  está  siendo  adoptado  con gran  éxito  en Brasil,  es  el  de garantizar una velocidad igual o superior a 0.60 m/s, para el caudal medio, a lo largo de todo el periodo de proyecto.Este  criterio,  da  resultados  próximos  a  aquellos  obtenidos  por  el uso  del  criterio considerado racional de garantizar la auto-limpieza con velocidad de 0.9 m/s para el caudal máximo de una día cualquiera.   Esto   ocurre   por   que   éste   caudal   máximo  de   Aguas   Residuales   es   obtenido multiplicando el caudal medio (excepto el de infiltración) por el coeficiente de la hora de mayor contribución, K2, que normalmente es admitido igual a 1.5.La  velocidad  máxima,  es  función  de  las  características  del  material del  sifón  y  de  la  carga disponible, de un modo general, la misma no debe ser mayor a 3.0 ó 4 m/s.

Diámetro mínimo

Considerando   que para tuberías de menor dimensión es mayor la posibilidad de obstrucción, es recomendable que el diámetro mínimo del sifón tenga un valor similar al fijado para los colectores, esto es, 150mm.Por tanto se recomienda un diámetro de 150 mm como diámetro mínimo.

Número de tuberías

El sifón invertido deberá tener, como mínimo dos líneas, a fin de hacer posible el aislamiento de una de ellas sin perjuicio del funcionamiento, cuando sea necesaria la ejecución de reparaciones y/o desobstrucciones.En  el  caso  de  existir  grandes  variaciones  de  caudal,  el  número  de líneas  debe  ser  determinadoconvenientemente  para  garantizar  el  mantenimiento  de  la  velocidad adecuada  a  lo  largo  del tiempo.

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II. CRITERIOS DE DISEÑO PARA SIFON INVERTIDO

2.1 CALCULO HIDRAULICO:Los cálculos hidráulicos necesarios para proyectar un sifón son los siguientes:

1. Calculo de pérdida de cargas para determinar el desnivel necesario entre la entrad y la salida.

2. Calculo de las transiciones3. Verificación del ahogamiento en la entrada4. Elección del diámetro de la tubería comprobando que la

velocidad al interior este dentro de los límites aceptablesPara hacer estos cálculos es necesario conocer las características hidráulicas del escurrimiento en distintas secciones, esto se obtiene aplicando sucesivamente las ecuaciones de Bernulli entre par de puntos.

1. Calculo de pérdidas de carga: En un sifón se presentan diferente s tipos de pérdidas de cargas.

a. Perdida de carga por transición en la entradab. Perdida de carga por entrada al conductoc. Perdida de carga por fricción dentro del conductod. Perdida de carga por transición de salida

a. Perdida de carga por transición en la entrada se ha obtenido experimentalmente que es aproximada al decima parte del incremento de carga de velocidad entre los extremos de transición.

hTE=0.1 (V 2

2

2g−V 1

2

2g)

Donde:

hTE :Pérdidade carga por transición

V 1 :velocidad enel inicio de latransición

V 2 :velocidad al final de latransición

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Este tipo de pérdida de carga no amerita más un análisis exacto puesto que su valor representa un porcentaje muy bajo respecto a la pérdida total de carga.

b. Perdida de carga por entrada al conducto está pérdida se debe al cambio de dirección del movimiento del liquido para entrar al conducto depende de las condiciones geométricas de la entrada y de la velocidad de entrad del conducto.Está dado por la siguiente expresión:

he=ke (V 2

2 g)

Donde:

he :Pérdidadecarga por entradaal conducto

V :velocidad en la entradadel conductok e :coeficiente dependiendoal tipo deentrada

Valores del coeficiente k e para perdidas de carga en la entrada

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c. Perdida de carga por fricción dentro del conducto es la componente más considerable de las pérdidas de cargas su valor representa hasta 70% de la pérdida total. Es ocasionada por el rozamiento entre partículas del liquido y la paredes del conducto por lo tanto depende la mayor o menor rugosidad de la superficie interior del conducto. La formula de Darcy es una de las usadas para determinar está pérdida de carga

h f=fLV 2

2dg

Donde:

he :Pérdidadecarga por entradaal conducto

V :velocid ad enel conductof : coeficientede fricción dependiendoal tipo deamterial ycondiciones del conductoL : longitud del conductod :diámetro interior del conducto

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ING. Edgar Sparrow.a. Perdida de carga por transición de salida se ha obtenido

experimentalmente que es aproximada las dos decimas partes del cambio de carga de velocidad entre los extremos de la transición de la salida.

hTS=0.2(V 3

2

2g−V 4

2

2 g)

Donde:

hTS :Pérdidade carga por transiciónde salida

V 3 :velocidad enel inicio de latransición

V 4 : velocidad al final de latransición

2. Calculo de las transiciones La función de las transiciones es cambiar gradualmente de la sección del canal a la sección del conducto.Según especificaciones el Angulo α formado por el eje de la transición y la intersección del nivel del agua con el talud debe esta dentro de los siguientes límites 12º 30’ a 22º 30’

α máximo→22° 30 'α mínimo→12 °30 '

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tgα=

b2+dctgθ−D

2L

tg 22° 30'=0.415tg12 ° 30'=0.222

Lmax=

b2+dctgθ−D

20.222

Lmin=

b2+dctgθ−D

20.415

3. Verificación del ahogamiento en la entradaEn sifones tipo normal el ahogamiento tanto a la entrada como a la salida del conducto es indispensable ya que el funcionamiento se basa en producir dentro del conducto una presión inferior a la atmosférica.En sifones invertidos no es necesario el ahogamiento desde el punto de vista de su funcionamiento hidráulico, sin embargo es recomendable que trabaje ahogado sobre todo en la entrada para evitar que entren al conducto sólidos flotantes que puedan obstruirlo

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4. Elección del diámetro de la tubería

El diámetro de la tubería se determinará mediante la ecuación de continuidad para una gasto de terminado de modo que la velocidad del agua en el conducto este dentro de los limites recomendables para que no se produzcan sedimentación y erosión dentro del conducto.

vmáximo→3.0m/ svmínimo→1.5m /s

Cuando el gasto que deberá conducir el sifón varía dentro de un rango muy amplio no es posible escoger una sola tubería que satisfaga las condiciones de velocidad citadas para diferentes valores del gasto, en estos casos se diseñara sifones con diferentes tuberías independientes para varios valores del gasto y a la entrada una cámara de repartición que conduce el agua hacia el conducto adecuado según el gasto

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2.2 PARTES QUE COMPONEN EL SIFON INVERTIDO

Perfil de sifón

La facilidad de limpieza y las pérdidas de carga son dos aspectos que deben ser considerados para la definición del perfil del sifón. El perfil de mayor uso es el que se asemeja a un trapecio con la base menor para abajo y sin la base mayor.

Así la elección del perfil sea función de las condiciones locales y del espacio para su implantación, es de importancia fundamental que se procure proyectar el sifón con ángulos suaves que permitan la utilización de equipos simples para la limpieza y desobstrucción.

Cámaras visitables

El sifón invertido debe ser proyectado con dos cámaras visitables, cámara de entrada y cámara de salida.

- Cámara de entrada

La cámara d entrada debe ser proyectada de manera de orientar el escurrimiento hacia las tuberías que constituyen el sifón propiamente dicho, debe prever además dispositivos que permitan:

a)    El aislamiento de cualquiera de la línea para su limpieza.b)    El  desvío  del  caudal  afluente  para  cualquiera  de  las  líneas, aisladamente  o  en conjunto con otra.c)         El desvío o by – pass directamente para un curso de agua o galería.d)    La entrada de un operador o equipos para desobstrucción o agotamiento.

Los dispositivos para aislamiento de tuberías pueden ser compuertas de madera, que deslizan en ranuras apropiadas, o vertederos adecuadamente dispuestos para permitir la entrada en servicio de la nueva tubería después de alcanzar el límite de la capacidad  de la anterior.

Generalmente han sido utilizadas compuertas que tienen la ventaja de poder distribuir mejor los caudales, de modo de mantener siempre una velocidad mínima de auto limpieza; sin embargo, ésta alternativa  tiene

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ING. Edgar Sparrow.la  desventaja  de  requerir  la  entrada  de  personas  en  la  cámara para  efectuar  la operación de las compuertas.

La utilización del vertedor lateral tiene la ventaja de evitar la entrada frecuente de personas en la cámara,  sin  embargo  ocasiona  mayor pérdida  de  carga,  pues  es  considerado  un  obstáculo sumergido, cuando el escurrimiento pasa sobre él. Cuando es utilizado el vertedor lateral, deben ser  tomados  los  debidos  cuidados  en  relación  a  las velocidades  para  atender  las  condiciones  de auto-limpieza.

-  Cámara de salida

Debe ser también adecuadamente proyectada de modo de permitir la inspección, al aislamiento y la limpieza de cualquier línea del sifón. Las soleras de los tubos afluentes y de la tubería de salida quedarán rebajadas, en relación a la tubería de llegada en la cámara de entrada, en 1/3 del valor correspondiente a la pérdida de carga a lo largo del sifón, más las pérdidas localizadas.Las cámaras de Entrada y Salida deben ser proyectadas con dimensiones adecuadas, de modo que permitan al acceso y movimiento de personas y equipos, en forma cómoda durante las operaciones que se realicen en las mismas.

Ventilación

Considerables cantidades de aire y gases son arrastrados por el escurrimiento de Aguas Servidas en  los  colectores  que  funcionan  en lámina  libre.  En  cambio,  éste  flujo  es  interrumpido  en  la cámara de salida del sifón, ya que el escurrimiento en el sifón se efectúa en conducto forzado.

Debido  a  esa  interrupción,  se  produce  una acumulación de aire y gases que origina una presión positiva  en  la  cámara  de  entrada,  y puede  provocar  el  escape  de  gases  con  olor  desagradable  a través de orificios y aberturas en las tapas de acceso a las cámaras.Si  la  cámara  de  entrada  fuese  completamente  hermética,  los  gases  efectuarían  un  camino  en sentido inverso al escurrimiento hasta conseguir salir por las cámaras de inspección aguas arriba del sifón.En éste caso, todo el oxígeno extraído de la cámara y los gases (principalmente el sulfhídrico que se  desprende  del  líquido  debido  al

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ING. Edgar Sparrow.aumento  de  turbulencia)  se  concentran  pudiendo  ocasionar serios problemas de olor. Con la acumulación de los sulfatos en la cámara de entrada, el ambiente se torna altamente tóxico, y puede ocasionar la muerte de los operadores que visiten la cámara sin la debida máscara de protección.

Para minimizar este problema, se puede interconectar las cámaras de entradas y salida por medio de una tubería, de modo que los gases sean transferidos para la cámara de salida y arrastrados por el flujo  de aguas  residuales  aguas  abajo  del  sifón.  Dependiendo  de  la ubicación  de  la  cámara  de entrada,  los  gases  pueden  ser  lanzados a  la  atmósfera  siempre  que  las  condiciones  ambientales locales no sean afectadas.

La evacuación de aire y gases se produce a través de una tubería con diámetro que varía desde un décimo  hasta  la  mitad  del  diámetro  del sifón.  Cuando  se interconectan las cámaras, esta tubería generalmente es ubicada en forma paralela a las tuberías del sifón.

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Técnica de construcción

La técnica de construcción siempre que el obstáculo a salvar éste constituido por un arroyo o río, con un caudal de volumen apreciable, sigue alguno de los siguientes métodos:

a)         Se monta un andamio perpendicular a la dirección de la corriente; el sifón se instala sobreel  andamio  y  luego  se  produce  su  descenso  en  bloque  hasta  que repose  en  un  canal excavado con anterioridad para éste propósito.b)    El sifón, previamente montado, se suspende mediante grúas flotantes y se sumerge luego hasta reposar en la zanja excavada para tal fin.c)         El sifón se monta en tierra; se obturan ambos extremos; se recubre el exterior del sifón con   hormigón   proyectado   o   encofrado, hasta   que   el   peso   del   sifón  compense   su flotabilidad en el agua; de esta forma se consigue una protección suplementaria contra la corrosión;  se  conduce  el  sifón  haciéndolo  flotar mediante boyas, hasta que esté situado sobre  el  canal  excavado  previamente,  se sueltan  las  boyas  y  se  sumerge  el  sifón llenándolo con agua.d)    Se ejecuta el montaje del sifón en la orilla del río que constituye el obstáculo. Desde la orilla  opuesta  y  mediante  cables,  éste  es remolcado  hasta  su  emplazamiento  definitivo, por vehículos que circulan sobre una vía dispuesta en la prolongación teórica del eje del sifón.

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PROYECTO DE UN SIFON PARA CRUZAR EL RIO MAGDALENA EN EL MUNICIPIO DE SANTA ANA, SONORAAntecedentes: en el Ejido “El claro” localizado en el margen izquierda del río Magdalena aproximadamente 12km, al sur de santa Ana Sonora se proyecta una obra de pequeña irrigación que beneficiará 890Ha.

La captación consiste en un tajo o galería abierta que recibe los escurrimientos subálveos localizados en la margen derecha, al final del tajo es necesario cruzar el rio Magdalena para iniciar en al margen izquierda el canal de condición.Este cruce se hará mediante un sifón invertido de 260m . de longitud que deberá conducir 1000 lts/ seg .Mediante estudios hidrológicos efectuados en el campo se elaboró un plano con niveles piezométrico en la zona de captación y conforme a estos datos se proyecto la rasante del tajo, por la cual tenemos fija la cota de entrad el sifón.

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ING. Edgar Sparrow. Elección de tubería

Se utilizará tubería de asbesto cemento suponiendo un diámetro de 30 pulg. (0.762 m)

A=π D2

4=0.785×0.7622=0.456m2

V=QA

= 10.456

=2.19m / seg

Es una tubería aceptable por lo tanto usaremos una tubería A-C de 30 pulg. (0.762 m) de diámetro

Calculo de la longitud de tubería de transición de entrada

α máximoadmisible→22 ° 30'α mínimorecomendable→12 ° 30'

tg 22° 30'=0.415 tg12 ° 30'=0.222

Lmax=2.5+1.5−0.762

20.222

=16.4m

Lmin=2.5+1.5−0.762

20.415

=8.74m

Tomaremos L=10m

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Calculo de la longitud de la transición de salidaα máximoadmisible→22 ° 30'α mínimorecomendable→12 ° 30'

tg 22° 30'=0.415 tg12 ° 30'=0.222

Lmax=0.63+0.5−0.762

20.222

=3.4m

Lmin=2.5+0.5−0.762

20.415

=1.8m

Tomaremos L=3m

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Suponiendo la geometría del sifón revisaremos el funcionamiento hidráulico del sifón planteando la ecuación de Bernulli entre las secciones 3 y 4

Sección 4d4=0.63m

V 4=0.97m / segV 4

2

2 g=0.048m

Sección 3d3=?

V 3=QA

= 10.762d3

=1.32d3

m /seg

V 32

2 g=0.089d3

2 m

Aplicando Bernulli

∆2+d4+V 4

2

2g=d3+

V 32

2 g−0.2(

V 42

2 g−V 3

2

2g)

0.3+0.63+0.048=d3+0.089

d32

−0.2(0.048−0.089

d32

)

0.978=d3+0.107

d32

−0.0096

0.9876=d3+0.107

d32

d3=0.83m

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ING. Edgar Sparrow.Planteando la ecuación de Bernulli entre las secciones 3 y 2

Sección 3d3=0.83mV 3=1.59m / segV 3

2

2 g=0.129m

Sección 2d3=?

V 3=QA

= 10.762d3

=1.32d2

m /seg

V 32

2 g=0.089d2

2 m

Aplicando Bernulli

∆3+d2+V 2

2

2g=d3+

V 32

2 g+H t

Donde:

H t=he+hf

he=ke (V 2

2 g); para entrada ligeramente redondeadak e=0.23

he=ke (V 2

2 g )→0.23×0.089d2

2 =0.0205d2

2

h f=fLV 2

2dg;V velocidad dentro el conducto=2.19 m/s

Para asbesto cemento f=0.020

h f=0.020220×2.192

0.762×19.6=1.43m

d2+0.86+ 0.089

d22

=0.83+0.129+ 0.0205

d22

+1.43

1.529=d2+0.0685

d22

d2=1.49m

1.49−0.762=0.728>0.1d2

Se verifica la condición de ahogamiento

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Planteando la ecuación de Bernulli entre las secciones 2 y 1

Sección 2d3=1.49m

V 2=0.886m /segV 3

2

2 g=0.04m

Sección 1d1=?

V 3=QA

= 1

3d1+2d12m / seg

V 32

2 g= 1

19.6×(3d¿¿1+2d12)2m ¿

Aplicando Bernulli

∆1+d1+1

19.6×(3d¿¿1+2d12)2=1.49+0.04+0.1¿¿

1.234=d1+1.1

19.6×(3d¿¿1+2d12)2 ¿

d1=1.23m

d=1.23<tirante deentrada(1.25), por tanto el sifón funciona correctamente

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo3.pdf.http://www.buenastareas.com/ensayos/Sifon-Invertido/2394627.htmlhttp://www.slideshare.net/diegoleonardo27/ejercicio-26.https://www.e-seia.cl/archivos/Anexo_3_Memoria_de_Calculo_Sifon.pdf