1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 1 DISEO DE SIFN INVERTIDO I. INTRODUCCIN. El sifn invertido surge como solucin a la necesidad de burlar un obstculo topogrfico y conducir un fluido mediante una tubera a presin, disendose como una tubera simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construccin demandara mayores costos elevando el monto del proyecto. Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vas de tren debajo de ros 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 sifn invertido .Los estudios econmicos y las consideraciones topogrficas, geolgicas e hidrolgicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura. II. OBJETIVOS: Conocer el funcionamiento y las caractersticas que presenta un sifn invertido. Hacer el diseo de un sifn invertido con los datos de un sifn invertido. Con los datos obtenidos de la en la prctica hacer los clculos correspondientes para comprobar si el sifn funciona correctamente.

2. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 2 III. MARCO TEORICO: TEORA DEL SIFN INVERTIDO Y PUENTE CANAL. Para cruzar una depresin, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escoger la solucin ms conveniente para tener un funcionamiento hidrulico correcto, la menor perdida de carga posible y la mayor economa factible. Los cuales pueden ser: Puente Canal. Sifn invertido. Alcantarilla. Tnel A. ELECCIN DEL TIPO DE ESTRUCTURA. Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstculo es muy grande se usa un tnel. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo, se puede utilizar como estructura de cruce como puente canal o un sifn invertido o la combinacin de ambos. El puente canal se utilizara cuando la diferencia de niveles entre rasante del canal y la rasante del obstculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso del agua en el caso de arroyos o ros. El sifn invertido se utilizara si el nivelde la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo. A.1- Concepto de acueducto El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal logrando atravesar una depresin. Est formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de gravedad. A.2- Concepto de sifn invertido Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan para conducir agua en el cruce de un canal con una depresin topogrfica en la que est ubicado un camino, un dren o incluso otro canal. 3. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 3 B. CLCULO HIDRULICO DE UN SIFN. Para que cumpla su funcin el diseo del sifn, se debe de proceder como sigue: Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuacin de la energa especfica: 4. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 4 B.1- partes de un sifn invertido Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes: Transiciones de entrada y salida Como en la mayora de los casos, la seccin del canal es diferente a la adoptada en el conducto, es necesario construir una transicin de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseo de una transicin de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifn un poco ms debajo de la superficie normal del agua. Esta prctica hace mnima la posible reduccin de la capacidad del sifn causada por la introduccin del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifn se recomienda que se est comprendida entre un mnimo de . Carga de velocidad: Rejilla en entrada y salida La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8 de dimetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8 x 3/8) colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 cm2 (1 x 1/2). Su objeto de la rejilla es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraos que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraos o personas. Tuberas de presin Son tuberas que transportan agua bajo presin, para que los costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubera en pendientes estables y encontrar buenos cimientos. No deber haber peligro de erosin por desprendimiento de laderas, pero se acceso seguro para hacer mantenimiento y reparacin. i. Material Usado Para Tubera De Presin: El acero comercial fue fabricado con planchas de acero roladas y soldadas. En general las tuberas de acero que estn protegidas por una capa de pintura u otra capa de proteccin pueden durar hasta 20 aos. Adems, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metlicas. Evitar enterrar las tuberas de presin debido a que corren el riesgo de corroerse. 5. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 5 ii. Velocidades en el conducto: Las velocidades de diseo en sifones grandes es de 2.5 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeos es de 1.6 m/s. un sifn se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el dimetro. Funcionamiento del sifn El sifn siempre funciona a presin, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos Ec. De la Energa en 1 y 2: Otras frmulas usadas son: Polikouski y Perelman: Dnde: : Velocidad media en la tubera (m/s). D: dimetro de la tubera de acero (m) Este sifn funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifn. La diferencia de carga Z de be ser mayor a las prdidas totales. 6. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 6 Vlvula de purga de agua y lodos Se coloca en la parte ms baja de los barriles, permite evacuar al agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifn o para desalojar lodos. Para su limpieza o reparacin, y consistir en vlvulas de compuerta deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar. C. DISEO HIDRULICO DEL SIFN INVERTIDO Con la visita de campo y los datos tomados, se traza el sifn y se procede a disear la forma y dimensiones de la seccin del conducto ms conveniente, esto se obtienedespus de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las prdidas de carga que han de presentarse. Las dimensiones de la seccin transversal del conducto dependen del caudal que debe pasar y de la velocidad. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de agua en el conducto de 2.5 3.5 m/s que evita el depsito de azolves en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosin del material en los conductos. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por estas limitaciones resulten, se puede reducir las prdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de azolvamiento del sifn, por lo que habr de mejorar las facilidades de limpiar el interior del conducto. El sifn funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifn. La diferencia de cargas Z debe ser mayor que las prdidas totales. Para el sifn particularmente que analizamos, las secciones del canal a la entrada y salida son rectangulares y de las mismas dimensiones, adems de la misma pendiente 0.002, en consecuencia tendr el mismo tirante y velocidad. 7. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 7 C.1- Clculo del caudal El caudal lo obtenemos aforando el canal para este clculo se obtuvieron los siguientes datos. distancia 25 metros 40.27 segundos 41.67 segundos 40.97 segundos 8. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 8 Consideremos una velocidad de 2 m/s que se emplea para sifones pequeos, que nos evita el depsito de lodo y basura en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosin en la tubera, con este valor conseguiremos el caudal, y despejando de la ecuacin de la continuidad: El dimetro que vamos a emplear es: rea hidrulica: Permetro mojado: P=D* = 0.489* = 1.536 m Radio hidrulico: 9. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 9 La velocidad dentro de la tubera es: Su nmero de Reynolds: C.2- Clculo de las prdidas hidrulicas Las principales perdidas de carga que se presentan son: Prdidas en la rejilla. Prdidas por friccin en el conducto. Prdidas en los codos (cambio de direccin). Prdida por vlvula de limpieza. C.2.1- Prdidas en la rejilla Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y rejillas para el paso del agua, las prdidas originadas se calculan con la ecuacin: Las soleras de la rejilla son de 9 y tiene dimensiones de 2 x 1m x 1/4" (0.051mx1mx0.0064m) separadas cada 0.4m. 10. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 10 El rea neta por metro cuadrado ser: Como el rea hidrulica (rea bruta) de la tubera es de 0.114 m2 entonces el rea neta ser: Entonces: = velocidad a travs del rea neta de la rejilla dentro del rea hidrulica. Finalmente las prdidas por entrada y por salida sern: 11. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 11 C.2.2- Prdidas por friccin Utilizando la frmula de Hazen Williams para una longitud de tubera de 54.45 m resulta: C.2.3- Prdidas de carga por cambio codos o cambio de direccin Una frmula empleada es: Dnde: = ngulo de deflexin Kc = coeficiente para codos comunes = 0.25 1 36 0.632 2 49 0.738 Suma= 1.37 154 m 12. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 12 IV. CONCLUSIN El diseo del sifn invertido funcionara bien ya que la sumatoria de perdidas es menor que la diferencia de cargas V. RECOMENDACIONES - Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajos de limpieza del canal a fin de evitar el acumulamiento de sedimentos rocas y malezas de arbustos que podran afectar el funcionamiento del sifn. - Realizar trabajos de mantenimiento de las tuberas de acero con pintura anticorrosiva expsita con el fin de evitar la corrosin. 13. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 13 ANEXOS: Fig. 1.- canal JESUS-CHUCO Fig. 2.- vista panormica del sifn invertido en estudio 14. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 14 Fig. 3.- desarenador Fig. 4.- entrada del agua en el sifon