Post on 18-Nov-2014
INCI 6076
FLUJO DE DISEÑO PARA PLANTAS DE
TRATAMIENTO
Dr. Christian A. Villalta
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Universidad Politecnica de Puerto Rico
OBJETIVOS
• DEFINIR EL FLUJO DE DISEÑO PARA UNA PLANTADE POTABILIZACIÓN Y DE AGUAS RESIDUALES.
• DEFINIR EL PERIODO DE DISEÑO DE LA PLANTA.
• DETERMINAR LA POBLACIÓN FUTURA SERVIDA.
• CALCULAR EL FLUJO DE DISEÑO PARA UNAPLANTA DE POTABILIZACIÓN.
DEFINICIONES
• PERIODO DE DISEÑO – PERIODO DE TIEMPOPARA EL CUAL EL FUNCIONAMIENTO DE LAPLANTA SE ANTICIPA SERÁ ADECUADO
• POBLACIÓN DE DISEÑO – POBLACIÓNMÁXIMA A SER SERVIDA POR LA PLANTA. ESUNA POBLACIÓN FUTURA, LA CUAL TIENEQUE SER PREDICHA.
• PARA ELLO EXISTEN MODELOS DEPREDICCION DE POBLACIONES.
DEFINICIONES
• FLUJO DE DISEÑO – FLUJOS MÁXIMOSPARA LOS CUALES LAS PLANTAS SONDISEÑADAS.
• PUEDE HABER UN FLUJO DE DISEÑOBASADO EN CAPACIDAD HIDRÁULICAMÁXIMA Y OTRO BASADO ENCONSIDERACIONES/LIMITACIONESOPERACIONALES DE LOS PROCESOS.
• MUCHAS VECES NO COINCIDEN ESTOS DOS.
FLUJO DE DISEÑO
• FLUJO DE DISEÑO - ESTABLECE LA CAPACIDADMÁXIMA OPERACIONAL DE LA PLANTA PARADISEÑO.
• POTABILIZACIÓN - ES FUNCIÓN DE LADEMANDA DE AGUA EN LA POBLACIÓN - SEDEBE OBTENER EL NÚMERO DE ABONADOSSERVIDOS EN UN MUNICIPIO EN PARTICULARDE LA AUTORIDAD DE ACUEDUCTOS YALCANTARILLADOS DE P.R. (AAA)
FLUJO DE DISEÑO
• DEMANDA ES FUNCIÓN DE LAPOBLACIÓN Y DEL CONSUMO PERCÁPITA.
• DEMANDA PROMEDIO PER CÁPITA –▫ AUTORIDAD DE ACUEDUCTOS DE PUERTO
RICO - 80 gal/día-hab X 5 hab/fam = 400gal/día-fam
• DEMANDA PROMEDIO PER CÁPITA =CONSUMO TOTAL DIARIO/POBLACIÓNSERVIDA
FLUJO DE DISEÑO
• DEMANDA PROMEDIO DIARIA TOTAL (DPDT)
• DPDT = DEMANDA DOMÉSTICA + DEMANDACOMERCIAL + DEMANDA INDUSTRIAL +DEMANDA INSTITUCIONAL + PÉRDIDAS YFUGAS DE TRANSMISIÓN (P.R.: 45-48%, ~8-10%)
• FLUCTÚA DURANTE EL AÑO Y DURANTE ELDÍA
FLUJO DE DISEÑO
• DEMANDA COMERCIAL, INDUSTRIAL, EINSTITUCIONAL SE TIENEN QUE DETERMINARINDEPENDIENTEMENTE MEDIANTE ESTUDIOSINDEPENDIENTES (ESTIMADOS ESTIPULADOS PORAAA BASADOS EN ÁREA DE OCUPACIÓN ENCUERDAS Y TIPO DE USO: C1, C2, C3,…, I1, I2, I3,…).
• INSTITUCIONES - ESCUELAS, UNIVERSIDADES; 10-20GAL/DÍA-EST.
• ARPE Y/Ó JUNTA DE PLANIFICACIÓN DEFINE: #GAL/DÍA-CUERDA
FLUJO DE DISEÑO
• DEMANDA PROMEDIO DIARIA (DPD) –
• DEMANDA PROMEDIO ANNUAL EJERCIDA = POBLACIÓN X DEMANDA PER CÁPITA (GAL/DÍA-CÁPITA, M³/DÍA-CÁPITA)
• DEMANDA TOTAL DOMÉSTICA = DPD
FLUJO DE DISEÑO
• DEMANDA MÁXIMA DIARIA - DEMANDADEL DÍA DE MAYOR CONSUMO DE AGUADURANTE EL AÑO - DATO DE DISEÑO -USUALMENTE NO ESTÁ DISPONIBLE, PEROSE ESTIMA.
• DEMANDA MÁXIMA DIARIA FUTURA - ES LA BASE DE DISEÑO DE LAS PLANTAS FDMD = QMAX/QDPD
FLUCTUACIÓN ANNUAL DE LA DEMANDA
TIEMPO EN EL AÑO
QFLUJO
DIARIO
FLUJO MÁXIMO DIARIO
QPD
FLUJO DE DISEÑO
• CICLO DIURNO DE LA DEMANDA - (VER FIGURA),DEMANDA MÁXIMA BIMODAL - BASADO ENCICLO DIURNO PROMEDIO ANNUAL.
• FLUJO MÁXIMO HORARIO - SE DETERMINAUTILIZANDO EL CONCEPTO DE FACTOR DEFLUJO MÁXIMO HORARIO (FFMH)
• FFMH = FLUJO MÁXIMO HORARIO/FLUJOPROMEDIO DIARIO = QMAX HORARIO/QPROM
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
FL
UJO
DIA
RIO
(ft
³/s)
0 6 12 18 24
HORA DEL DÍA
Promedios Horarios Promedio Diario
VARIACIÓN DIURNA DE LA DEMANDAW astewater Engineering
FLUJO DE DISEÑO
• FLUJO MÁXIMO HORARIO - FLUJO DURANTE LAHORA DE MAYOR DEMANDA DURANTE EL CICLODIURNO - DEBE ESTAR BASADO EN UN CICLODIURNO PROMEDIADO ANUALMENTE
• NECESARIO PARA DIMENSIONAR LAS TRONCALESCOLECTORAS, ESTACIONES DE BOMBAS,MEDIDORES DE FLUJO, SEDIMENTADORES,TANQUES DE CONTACTO DE CLORO Y CANALES
FLUJO DE DISEÑO
• QPROM = DEMANDA PROMEDIO DIARIA PER CÁPITA(gal/día-hab) x POBLACIÓN SERVIDA
• PERIODO DE DISEÑO - PLANTA TIENE QUE SERDISEÑADA PARA UN PERIODO NO MENOR DE 20 AÑOS =VIDA ÚTIL ESPERADA
• POBLACIÓN DE DISEÑO - TIENE QUE SER LA POBLACIÓNAL FINAL DEL PERIODO TOTAL QUE TRANSCURRA,DESDE QUE SE DECIDE REALIZAR LA PLANTA, HASTAQUE ESTA COMIENZA OPERACIONES; INCLUYE ELPERIODO DE PLANIFICACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y LA VIDAÚTIL ESPERADA
PERIODO DE DISEÑO
TIPO DE OBRA
PERIODO DE
DISEÑO
RECOMENDADO
OBRAS GRANDES – DIFÍCILES DE
ENSANCHAR – EMBALSES, TOMAS
DE AGUA, CANALES DE
TRANSMISIÓN PRINCIPALES
25 A 50 AÑOS
OBRAS FÁCILMENTE
EXPANDIBLES – CAMPOS DE
POZOS, SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN, PLANTAS DE
TRATAMIENTO, RED
ALCANTARILLADO
10 A 25 AÑO9
(25 AÑOS
PLANTAS)
FLUJO DE DISEÑO
• INTERVALO PARA LA PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN FUTURA, IPPF
▫ PERIODO DE PLANIFICACIÓN PF (1-3, 2 AÑOS)
▫ PERIODO DE CONSTRUCCIÓN PC 1.5- 4, 2 AÑOS)
▫ VIDA ÚTIL VU (20-25 AÑOS)
▫ IPPF = PF + PC + VU
FLUJO DE DISEÑO
• POBLACIÓN DE DISEÑO = PROYECCIÓN DELA POBLACIÓN ESTIMADA PARA DENTRODE IPPF AÑOS
• POBLACIÓN DE DISEÑO PARA EL AÑO QUESE COMIENZA PROYECTO + IPPF)
FLUJO DE DISEÑO
• PLANTAS DE POTABILIZACIÓN
• REYNOLDS & RICHARDS RECOMIENDAN EL FLUJO MÁXIMO DIARIO PARA FLUJO DE DISEÑO
• QMD/QP= 1.5 PARA E.U.
• FLUJO DE DISEÑO
• QD= QMD/QPX QPF= QMD/QP x PF x GPCF
CAPACIDADES DE DISEÑO
• TANQUES DE RESERVA - VOLUMENEQUIVALENTE A LA DEMANDA MÁXIMAHORARIA FUTURA DURANTE LA HORAMÁXIMA Ó EL FLUJO MÁXIMO DIARIOFUTURO MÁS LA DEMANDA DE FUEGO (ENE.U., 150 gal/día-cap).
FLUJO DE DISEÑO
• PROYECCIONES DE POBLACIÓN - DEBENTOMAR EN CUENTA EL RÉCORD HISTÓRICO
• TENDENCIA SUGERIDA POR LOS AÑOS MÁSRECIENTES (MÍNIMO DE CUATRO DATOSCENSALES)-SAN JUAN -BAYAMÓN -ARECIBO -MAYAGÜEZMARICAO
FLUJO DE DISEÑO
• QDISEÑO = QMÁXIMO DIARIO FUTURO = QMDF
• QMDF= FMD x POBLACIÓN FUTURA x CONTRIBUCIÓN PROMEDIO DIARIA
• POBLACIÓN FUTURA = POBLACIÓN ALFINAL DEL PERIODO DE PLANIFICACIÓN,CONSTRUCCIÓN Y DISEÑO - PERIODOTOTAL
FLUJO DE DISEÑO• HAY QUE SUPLIR ALMACENAJE DE AGUA
PARA CUMPLIR CON DEMANDA MÁXIMA HORARIA FUTURA
• VOLUMEN DEL TANQUE DE DISTRIBUCIÓN PARA CUMPLIR CON DEMANDA MÁXIMA HORARIA SALE DE LA CURVA DE VARIACIÓN PROMEDIO DE 24 HORAS
• INTEGRACIÓN NUMÉRICA SOBRE Q
FLUJO DE DISEÑO• DEBE REPRESENTAR LA VELOCIDAD DE
CONSUMO DE AGUA DIARIO EN LOS SECTORES RESIDENCIALES, COMERCIALES E INDUSTRIALES DE LA CIUDAD
• EL COMPONENTE COMERCIAL E INDUSTRIAL TIENEN QUE SER EVALUADOS INDEPENDIENTEMENTE DEL RESIDENCIAL (%?)
PERIODO DE DISEÑO
• LARGOS CUANDO -CRECIMIENTO POBLACIONAL PEQUEÑO, EXPANSIÓN ES DIFÍCIL, LA VIDA ÚTIL ESPERADA ES LARGA, Y LA TASA DE INTERÉS ES BAJA.
• CORTOS CUANDOCRECIMIENTO POBLACIONAL ES ALTO, EXPANSIÓN EN ETAPAS ES FACTIBLE, LA VIDA ÚTIL ESPERADA ES CORTA, Y LA TASA DE INTERÉS ES ALTA.
POBLACIÓN DE DISEÑO INICIAL
• ESTIMARLA UTILIZANDO EL MISMO MODELO DE POBLACIÓN UTILIZADO PARA PREDECIR LA TENDENCIA HISTÓRICA SIGNIFICATIVA DE LARGO PLAZO
POBLACIÓN DE DISEÑO
• BASADO EN LA TENDENCIA HISTÓRICA DEL CRECIMIENTO POBLACIONAL PARA EL FUTURO
• PUEDE SER:▫ EXPONENCIAL▫ LINEAL▫ DE CRECIMIENTO PORCENTUAL CONSTANTE▫ LOGARÍTMICO▫ LOGÍSTICO
POBLACIÓN DE DISEÑO FINAL• MÉTODO DE LOGÍSTICA -• BASADO EN EL HECHO QUE LAS
POBLACIONES TIENDEN A CRECER HASTA QUE SE LLEGA AL LÍMITE DE LA OPORTUNIDAD ECONÓMICA
• POBLACIÓN VS TIEMPO GRAFICA UNA CURVA “S” EN PAPEL ARÍTMÉTICO
• POBLACIÓN VS TIEMPO GRAFICA UNA LÍNEA RECTA EN PAPEL LOGÍSTICO (LOGARÍTMICO DE UN CICLO?)
MÉTODO DE LOGÍSTICA• ECUACIÓN:
• P = PS/(1 + ea + bdeltat)
donde P = población para un año futuro
PS = población de saturación
a,b = constantes características
deltat = periodo de tiempo futuro, Años
MÉTODO DE LOGÍSTICA• AJUSTE DE LA CURVA - TRES VALORES
HISTÓRICOS DE POBLACIÓN, PO, P1, P2 A TIEMPOS tO ,t1 ,t2 A n AÑOS DE DISTANCIA
• DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS PS , a y b:
PS = (2 P0 P1 P2 - P12(P0+ P2))/(P0 P2 - P1
2)
a = ln (PS - P0)/ P0
b = 1/n ln (P0(PS - P1))/(P1(PS - P0))
MÉTODO DE PORCIENTO CONSTANTE
• APLICABLE CUANDO EL % DE CRECIMIENTO ES CONSTANTE - DADO POR CENSO - CIUDAD CRECERÁ UN % DEL % NACIONAL
• APLICABLE CUANDO EL GRAFICADO SEMI-LOGARÍTMICO DE POBLACIÓN VS TIEMPO ES UNA LÍNEA RECTA
• dP/dt = KP
• INTEGRANDO, ln P = ln PO + K deltat
• K = (ln P - ln PO)/deltat
• PRINCIPIOS DE LA CURVA “S” LOGÍSTICA
MÉTODO DE PORCIENTO CONSTANTE
• PUEDE SER ESTIMADO MEDIANTE LA ECUACIÓN DE % COMPUESTO DE FINANZAS ADAPTADA
• P(t) = P0 (1 + %)N
▫ P(t) = POBLACIÓN AL FINAL DEL PERIODO N AÑOS
▫ P0 = POBLACIÓN AL INICIO DEL PERIODO N AÑOS
▫ % = % DE CRECIMIENTO ANNUAL
▫ N = NÚMERO DE AÑOS EN PERIODO
MÉTODO ARITMÉTICO• APLICA CUANDO LA POBLACIÓN CRECE
LINEALMENTE
• GRÁFICA DE POBLACIÓN ES UNA LÍNEA RECTA EN PAPEL ARITMÉTICO
• dP/dt = K
P = PO + K deltat
• PORCIÓN INTERMEDIA DE LA CURVA LOGÍSTICA
MÉTODO EMPÍRICO 1• SE EXTRAEN DATOS DE FLUJO DE LOS
RÉCORDS DE BOMBEO (GRÁFICAS DE FLUJO CONTINUO)
• SE OBTIENE RÉCORD DE POR LO MENOS UN AÑO, PARA CUBRIR TODAS LAS VARIACIONES POSIBLES
MÉTODO EMPÍRICO 1• SE DETERMINA:
FLUJO MÁXIMO DIARIO - BASE PARA FLUJO DE DISEÑO - QMAXD/QPROM ACTUAL QDISEÑO = QMAXD/QPROM X QFUTURO
MÉTODO EMPÍRICO 2• FLUJOS DE DISEÑO PARA PLANTAS DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES -ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE FLUJOS OBSERVADOS
• SE RECOGEN OBSERVACIONES DE FLUJOS DIARIOS DURANTE LOS MESES DE LLUVIA
MÉTODO EMPÍRICO 2
• SE ORDENAN LOS DATOS EN ORDEN DESCENDENTE
• SE LES ASIGNA UN RANGO M (DE 1 A N)• SE CALCULA LA PROBABILIDAD QUE UN
FLUJO DADO SEA <= AL FLUJO EN CUESTIÓN MEDIANTE = M/(N +1)
• EL FLUJO CUYO VALOR ES MAYOR A LOS FLUJOS OBSERVADOS EL 95% DEL TIEMPO SE PUEDE CONSIDERAR EL FLUJO MÁXIMO RAZONABLE.
EJERCICIO DE PREDICCIÓN DE
POBLACIÓN
• POBLACIÓN HISTÓRICA DE PUERTO RICO