UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE SANTIAGO
(UTESA)
Líneas de aducción y Estanques de
almacenamiento
LINEAS DE CONDUCCION
Son las tuberías que conducen el agua desde las
fuentes de abastecimiento hasta la planta de
tratamiento y desde ésta a los depósitos de
regularización del régimen de consumo.
Dependiendo de la fuente de abastecimiento, las
conducciones pueden ser por bombeo o por
gravedad.
COMPONENTES ADICIONALES
•Estructuras como desarenadores, tanques
rompecarga, anclajes y registros de inspección y
operación de válvulas.
•Accesorios como reducciones, codos, tee.
•Válvulas: Seccionamiento, desagüe para limpieza,
de aire, reductoras de presión.
Deben utilizarse los sistemas por gravedad
preferentemente tomando en consideración,
principalmente los costos de operación.
CRITERIOS PARA DISEÑO DE LINEAS DE
CONDUCCION POR GRAVEDAD
Se requerirán los datos topográficos de la línea a
diseñar. Planimetría y perfil.
Carga disponible
Es la diferencia entre el nivel mínimo de agua en la
captación y el nivel máximo de agua en la planta
potabilizadora, o la diferencia de nivel entre la
salida de la cisterna de agua tratada y el nivel
máximo en el tanque de almacenamiento.
Caudal de diseño:
El caudal de diseño a utilizar es:
Qdis = Cvd Qm
donde:
Qdis es el caudal de diseño
Cvd es el coeficiente de variación diaria
Qm es el caudal medio
Clase de tubería.
Se seleccionan después de que se conocen las
características de funcionamiento hidráulico de la
conducción, de tal manera que puedan soportar las
presiones de trabajo. La selección dependerá
también de las condiciones del terreno donde debe
instalarse la conducción.
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD
TIPO DE TUBERIA
PVC SCH40
PVC SDR26
COEFICIENTE DE
RUGOSIDAD
140
140
GRP PN10
140
PRESIONES MÁXIMO EN LAS
TUBERIAS
TIPO DE TUBERIA
PVC SCH 40
PVC SCH 40
PRESION
máximo
180
180
UDA
MCA
MCA
GRP PN10
100
MCA
Determinación del diámetro requerido.
Se sabe que para la determinación de los diámetros
se pueden generar varias soluciones y para
seleccionar la mejor habrá que realizar un análisis
económico.
Del curso anterior, se sabe que el diseño más
económico es aquél en que la carga disponible
(energía ) es equivalente a las pérdidas en la línea.
ΔH = Σ h L 1-2
La fórmula a utilizar es la de Hazen – Williams en su forma
modificada de Arocha.
J = ΔH = α1 X Qn + α2 (L´-X) Qn
donde:
α1
α2
X
Q
ΔH
J
L´
por
es el coeficiente correspondiente a Φ1
es el coeficiente correspondiente a Φ2
es la distancia correspondiente a Φ1
es el caudal de diseño
es la diferencia de nivel entre dos puntos
es la pérdida de carga en metros
es la longitud afectada por un 5% para estimar pérdidas
turbulencia.
Con esta fórmula, lo que se obtiene es una longitud
L1 de un diámetro Φ1 y una longitud L2 de un
diámetro Φ2, cuya suma de pérdidas de carga sea
igual a ΔH.
Reordenando la ecuación se puede obtener:
ΔH – α2 L´Qn
X = -------------------Qn ( α1 – α2 )
Estudiar los ejemplos del Arocha.
ACCESORIOS.
Válvulas de expulsión de aire o ventosas.
Las líneas de conducción tienden a acumular aire en los puntos
altos, creando bolsas que reducen el área útil de la tubería, por lo
que se produce un incremento de las pérdidas y una disminución
del caudal.
Se consideran puntos altos aquéllos donde existiendo una curva
vertical se pasa de una pendiente positiva a una negativa y es en
estos puntos donde deben instalarse las ventosas.
Para facilitar la acumulación de aire en algún punto que permita su
expulsión, se puede lograr artificialmente manipulando las rasantes
para crear esos puntos. Se recomienda utilizar pendientes mínimas
de 6 por 1000 en los descensos y 3 por 1000 en los ascensos.
El diámetro requerido de las ventosas a instalar dependerá
del diámetro de la conducción.
Válvulas de limpieza o purga.
Las conducciones tienden a acumular sedimentos en los puntos bajos si
son colocados en una topografía accidentada, por lo que conviene colocar
algún dispositivo que permita su expulsión y permita la limpieza de la
tubería.
La limpieza consiste de una derivación de la tubería, provista de una llave
de paso.
Válvulas reguladoras de presión
Son las que producen en su interior una pérdida de carga
constante, cualquiera que sea la presión de entrada y el caudal
LINEAS DE CONDUCCION POR BOMBEO
Cuando la fuente de almacenamiento está por debajo de los sitios de
consumo de agua se requerirá el bombeo.
A diferencia de una línea de conducción por gravedad, donde la carga
disponible es un criterio lógico de diseño que permite la máxima
economía, al elegir diámetros cuyas pérdidas de carga sean máximas.
En el caso de sistemas por bombeo, se trata de una carga que hay que
vencer para conducir el agua hacia donde queremos. Se puede hablar de
dos casos extremos:
1.Diámetros pequeños y equipo de bombeo grandes. Se tiene un
costo mínimo para tuberías, pero máximo para los
bombeo, operación y mantenimiento.
equipos de
2.Diámetros grandes y un equipo bombeo de baja potencia. Se
tiene costos altos para la tubería y bajos para los equipos de
bombeo, operación y mantenimiento.
CRITERIOS DE DISEÑO PARA EL DISEÑO DE
CONDUCCIONES POR BOMBEO
Caudal de diseño
El caudal de diseño para estos sistemas es igual que en el
caso anterior:
Qdis = Cvd Qm
Sin embargo, no es recomendable ni práctico bombear
durante 24 horas. Es factible reducir las horas de bombeo
incrementando el caudal. Se puede utilizar la expresión:
24
Qb = Q dis ------N
Sin embargo, se acostumbra, para los casos de
sistemas por bombeo utilizar el Qm en vez de Qdis,
tomando en consideración que las deficiencias en
caudal que pudieran ocurrir durante la operación
puede resolverse aumentando el tiempo de bombeo.
Por lo tanto la expresión se transforma en:
24
Qb = Q m -------N
Generalmente N < 16 horas.
Selección del diámetro
Será aquella que, satisfaciendo criterios técnicos, resulte la
más económica. Se sugiere utilizar 3 o 4 diámetros, variando
los rangos de caudal demandado dentro del período de
proyecto.
Una vez que se determinan las pérdidas de carga , se puede
obtener la potencia requerida para la bomba,
Υ Q he
P = -----------76 η
Para seleccionar los posibles diámetros que pudieran
utilizarse, usar cuadro 17 Arocha.
Se realiza el análisis económico incluyendo los costos de
adquisición de la tubería y equipo de bombeo, instalación,
operación, mantenimientos amortización del capital.
Puede presentarse en forma de gráfica como se ve en la
figura.
Sobrepresión por Golpe de Ariete
Los sistemas de conducción por bombeo están sujetos a
paradas e interrupciones bruscas, acción que puede provocar
sobrepresiones por el denominado golpe de ariete.
En el estudio de este fenómeno hay que abandonar las
hipótesis de que el fluido es incompresible y que el régimen
es permanente. El golpe de ariete es un fenómeno
transitorio y por lo tanto de régimen variable.
El estudio del golpe de ariete fue hecho en primer lugar por
Joukowski, mientras que la solución completa del problema
fue dada por Allievi.
El cálculo de la sobrepresión depende del tiempo de cierre
de la válvula (tc), que es el tiempo requerido para que la
onda de presión regrese a la válvula. Se define como:
2L
tc = --------Vw
donde:
L : Longitud de la tubería
Vw: Velocidad de propagación de la onda
Si el tiempo de cerrado de la válvula es menor que (tc), la
presión máxima es la misma que para un cierre instantáneo.
Si es mayor, la sobrepresión es menor. Este caso es el más
frecuente en la práctica.
La presión para t < tc se puede evaluar con la expresión:
p = V0
Υ
KeE
------ -------------g
Ee+Kd
donde:
p: presión
V0: Velocidad de circulación del agua, mps
Υ: Peso específico del agua, kg/m²
g: Aceleración de la gravedad, m/seg²
K: Módulo de elasticidad volumétrico del agua, Kg/ m²
e: Espesor paredes del tubo, m.
E: Módulo de elasticidad del material tubo, Kg/ m²
d: Diámetro exterior del tubo, m.
Debido a que el efecto del golpe de ariete es función del tiempo de
cerrado, se debe determinar la velocidad de propagación de la onda y el
tiempo de traslado. Se obtiene:
Vw =
g
----Υ
KeE
--------------Ee+Kd
Como se demuestra en Física,
g
----- K
Υ
es la celeridad de la onda elástica en el fluido. En el caso del agua:
g
----- K = 1425 m/seg
Υ
Y la expresión se transforma en:
1425
Vw = ----------------Kd
1 + --------Ee
La presión para t > tc se puede evaluar con el método de
solución de Allievi. Para ello, se calcula lo siguiente:
N: Constante de tiempo = número de intervalos de cierre.
Vw t
N = --------2L
K: La constante de la tubería.
Vw V0
K = -----------2 g H0
H0 : Presión dinámica.
Finalmente, se utiliza la figura para evaluar el aumento de
presión.
fig133
TANQUES DE
ALMACENAMIENTO
• Los estanques de almacenamiento juegan un
papel básico para el diseño del sistema de
distribución de agua, tanto desde el punto de
vista económico, así como por su importancia
en el funcionamiento hidráulico del sistema y
en el funcionamiento de un servicio eficiente.
Sus funciones principales dentro del sistema de
abastecimiento de agua potable son:
1. Compensar las variaciones de los consumos que se
producen durante el día.
2. Mantener las presiones de servicio en la red de
distribución.
3. Mantener almacenada cierta cantidad de agua para
atender situaciones de emergencia tales como
incendios e interrupciones por daños de tuberías.
Aspecto más importantes para el
diseño de los estanques de
almacenamiento:
1. Capacidad
2. Ubicación
3. Tipos de estanques a utilizar
Capacidad de almacenamiento del
estanque
La capacidad del estanque es función de varios
factores a considerar:
• Compensación de las variaciones horarias.
• Emergencias para incendios.
• Provisión de reserva para cubrir daños e
interrupciones en la aducción o en las
bombas.
• Funcionamiento como parte del sistema.
Compensación de las variaciones
horarias
Regularización del régimen de consumo.
Se requiere conocer la o las curvas de las variaciones horarias para poder
evaluar la capacidad de almacenamiento y regulación necesarios en el
sistema.
Sistema por gravedad.
De acuerdo con una de las propiedades de la curva masa,
la recta OA representa el promedio de los consumos de ese
día, o caudal medio. También, las tangentes trazadas en la
curva paralelas a OA representan las horas coincidentes con
el consumo medio y por lo tanto horas de mayor o menor
consumo respecto al gasto medio.
Esta situación hace que el tanque reciba estas variaciones y
las compense mediante un continuo ascenso y descenso
del nivel del agua.
El tanque debe tener capacidad suficiente para absorver
estas fluctuaciones en el volumen de agua.
TIEMPO
GASTO
HORAS
LITS/SEG.
1
75
2
80
3
83
4
94
5
108
6
120
7
240
8
230
9
195
10
180
11
160
12
157
13
165
14
180
15
165
16
170
17
180
18
200
19
210
20
180
21
160
22
130
23
110
24
60
De B-C El estanque se
está vaciando.
De 0-B El estanque se
está llenando.
El tiempo de bombeo
24 horas.
Para diseño se puede
considerar que el volumen de
almacenamiento para
compensar variaciones de
consumo representa del 25 al
28 por 100 % del qmed.
Ejemplo:
Para una población de 5,000
habitantes
Qmed= (300*5000)/86400
Qmed= 17.36 lit/seg.
V=(0.25*17.36*86400)/1000
V=375 m3=99000 gals
Cuando se trata de estanque que
son suplido por líneas de bombeo,
la capacidad podrá determinarse
en forma similar, sólo que ella
estará determinada por el tiempo
de bombeo y por el período de
bombeo.
Esto significa que a mayor tiempo
de bombeo, menor capacidad de
estanque y viceversa.
Evidentemente que al aumentar
los períodos de bombeo aumentan
también los costos de operación y
mantenimiento.
El número de horas recomendable
que sea menor de 16 horas de
bombeo.
N=16HRS
Sistema por bombeo
Si el sistema es por bombeo, se hace un análisis similar, nada
más que hay que tomar en consideración las horas de
bombeo y el período de bombeo.
Si no se dispone de datos con las variaciones de consumo en un día
puede utilizarse los que se incluyen más abajo.
Reserva para emergencia por incendios
1. En redes de distribución se
asignaron gastos de incendios de
10,16 ó 36 lits/seg.
2. Las normas generalmente asumen
un tiempo de duración de incendio
entre 2 y 4 horas. Asumiendo 4
horas de duración.
Ejemplo:
Para un gasto de 16 lits/seg
Vi= (16x4x3600)
Vi= 230,400 lits.
Vi=230.40 m3
Provisión de reserva para cubrir
interrupciones por daños en la
aducción o en las bombas.
1. Ante la eventualidad de que en la
línea de aducción puedan ocurrir
daños que mantendrían una
situación de déficit en el suministro
del agua mientras se hacen las
reparaciones pertinentes, es
aconsejable un volumen adicional.
2. Este volumen adicional debe dar
oportunidad a restablecer la
conducción de agua hasta el
estanque. En tal caso puede
estimarse un perído de interrupción
de 4 horas de duración del gasto
medio de consumo para la
determinación de esa capacidad.
UBICACIÓN DEL TANQUE.
Se colocan donde se desee mantener presiones de trabajo
adecuadas. Depende fundamentalmente de la topografía.
Las presiones recomendadas para
las zonas urbanas oscilan en un
rango de 25 a 70 metros de columna
de agua, y en áreas rurales entre 10
y 40 mca.
Leer Normas INOS pág 84 y 85
Arocha.
TIPOS DE ESTANQUES
Pueden ser.
Superficiales
Elevados
ACCESORIOS.
*Medidor de caudal
*Control de niveles
*Acceso dentro del tanque
*Acceso al sitio donde se ubica el tanque
*Iluminación exterior.
DETALLES IMPORTANTES EN EL DISEÑO
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Sistemas de Agua Potable Y Alcantarillado