Proyecto de Grado Ing. Civil Óscar Roberto Díaz

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Civil y Ambiental

Proyecto de Grado Ing. Civil

scar Roberto Daz Duque

La influencia del material de las tuberas en el crecimiento de pelculas

bacterianas

Asesor:

Juan Guillermo Saldarriaga

4 de febrero de 2014

Universidad de los Andes


Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA

La influencia del material de las tuberas en el crecimiento de pelculas bacterianas.

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Agradecimientos

Siendo este trabajo el proyecto de grado para obtener el ttulo de ingeniera civil, agradezco

a mis padres por todo el apoyo y confianza brindada a lo largo de estos aos que me

permitieron, gracias a la educacin que me inculcaron, convertirme en la persona que soy y

ser consciente de las capacidades que puedo llegar a tener. La realizacin de este proyecto

fue posible gracias a la asesora del profesor Juan Guillermo Saldarriaga, quien fue el

encargado de guiar durante estos ltimos seis meses el proyecto y del cual slo me queda

respeto y admiracin por su labor tanto en el contexto acadmico como en el personal.

Tambin agradezco a Jhon Calvo por su colaboracin en el Laboratorio de Hidrulica y a

Juliana Martnez del Centro de Investigaciones en Ingeniera Ambiental, con su ayuda la

realizacin de las distintas pruebas fue posible. Por ltimo quiero manifestar mi gratitud a

todas las personas que hicieron parte de esta etapa de mi vida: aquellos profesores de los

que tuve la oportunidad de aprender, a mis compaeros que de alguna forma u otra

estuvieron cuando los necesit y, en general, a todas las personas que hacen parte de la

comunidad universitaria.





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Contenido

1. Introduccin .................................................................................................................... 1

2. Objetivos ......................................................................................................................... 4

2.1. Objetivo general .................................................................................................................. 4

2.2. Objetivos especficos ........................................................................................................... 4

3. Antecedentes ................................................................................................................... 5

4. Marco Terico ................................................................................................................. 9

4.1. mbito Microbiolgico ........................................................................................................ 9

4.1.1. Definicin de biopelcula ............................................................................................. 9

4.1.2. Crecimiento y formacin microbiolgica .................................................................... 9

4.1.3. Caractersticas de los materiales en tuberas de redes de distribucin .................... 11

4.1.4. Metodologa de medicin ......................................................................................... 11

4.2. mbito Hidrulico ............................................................................................................. 12

4.2.1. Propiedades del agua en funcin de la temperatura ................................................ 12

4.2.2. Nmero de Reynolds y Rgimen de flujo .................................................................. 16

4.2.3. Prdidas por friccin ................................................................................................. 19

4.2.4. Factor de friccin y Diagrama de Moody .................................................................. 20

5. Modelo Fsico ................................................................................................................ 23

5.1. Componentes del modelo ................................................................................................. 23

5.2. Operacin del modelo ....................................................................................................... 30

6. Procedimiento Experimental ......................................................................................... 32

6.1. Calibracin de Vertederos ................................................................................................. 32

6.2. Recirculacin, volumen de agua, cloracin, temperatura y alimentacin del sistema .... 35

6.3. Pruebas Microbiolgicas ................................................................................................... 40

6.3.1. Estimacin del espesor de la biopelcula .................................................................. 40

6.3.2. Recuento de Microorganismos ................................................................................. 43

6.4. Pruebas Hidrulicas ........................................................................................................... 44

7. Resultados ..................................................................................................................... 47





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7.1. Pruebas Microbiolgicas ................................................................................................... 47

7.1.1. Espesor de la biopelcula ........................................................................................... 47

7.1.2. Recuento de microorganismos.................................................................................. 52

7.2. Pruebas Hidrulicas ........................................................................................................... 54

7.2.1. Tubera de PVC .......................................................................................................... 55

7.2.2. Tubera de Acero Galvanizado .................................................................................. 58

7.2.3. Tubera de Polietileno ............................................................................................... 60

8. Discusin ....................................................................................................................... 62

8.1. Descripcin de los resultados ............................................................................................ 62

8.2. Comparacin de resultados: Resumen de la influencia del material ................................ 66

9. Conclusiones ................................................................................................................. 69

10. Recomendaciones ...................................................................................................... 73

11. Bibliografa ................................................................................................................ 75

12. Anexos ............................................................................................................................... 77

12.1. Anexo 1: Mediciones de la calibracin de los vertederos ............................................. 77

12.2. Anexo 2: Caractersticas geomtricas de los componentes del sistema ...................... 80

12.3. Anexo 3: Clculo de la demanda de cloro en el sistema ............................................... 81





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ndice de Ecuaciones

Ecuacin 1. Peso de la biomasa en los testigos. ............................................................................................... 12

Ecuacin 2. Espesor de la biopelcula. .............................................................................................................. 12

Ecuacin 3. Velocidad de desarrollo de la biopelcula. .................................................................................... 12

Ecuacin 4. Espesor promedio en testigos de centro. ..................................................................................... 12

Ecuacin 5. Densidad del agua. ........................................................................................................................ 14

Ecuacin 6. Viscosidad Cinemtica del agua. ................................................................................................... 15

Ecuacin 7. Viscosidad Dinmica. ..................................................................................................................... 15

Ecuacin 8. Nmero de Reynolds. .................................................................................................................... 17

Ecuacin 9. Subcapa Laminar Viscosa. ............................................................................................................. 18

Ecuacin 10. Velocidad de Corte ...................................................................................................................... 18

Ecuacin 11. Relacin entre el Esfuerzo Cortante y la cada de altura piezomtrica (hf). ............................... 19

Ecuacin 12. Frmula de Darcy-Weisbach ....................................................................................................... 20

Ecuacin 13. Factor de Friccin (f) en la frmula de Darcy-Weisbach ............................................................. 20

Ecuacin 14. Factor de Friccin en Flujo Laminar. ........................................................................................... 21

Ecuacin 15. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Liso. ........................ 21

Ecuacin 16. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Liso reformada. ...... 21

Ecuacin 17. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Rugoso. .................. 21

Ecuacin 18. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Rugoso reformada. 21

Ecuacin 19. Frmula de Colebrook-White. ..................................................................................................... 21

Ecuacin 20. Rugosidad Absoluta (ks) en la frmula de Colebrook-White ....................................................... 22 Ecuacin 21. Relacin potencial del caudal en vertederos triangulares. ......................................................... 32





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ndice de Tablas

Tabla 1. Variables importantes en la adhesin celular para la formacin de biopelculas (Dolan, 2002). ....... 10

Tabla 2. Propiedades del agua lquida a diferentes temperaturas (Saldarriaga J. G., 2007). ........................... 13

Tabla 3. Rgimen de flujo segn el nmero de Reynolds (Saldarriaga J. G., 2007). ......................................... 17

Tabla 4. Rgimen de flujo turbulento segn la rugosidad absoluta y el espesor de la subcapa laminar. ........ 19

Tabla 5. Resultados calibracin de los vertederos y caractersticas de operacin. .......................................... 35

Tabla 6. Ecuaciones para calcular el caudal. ..................................................................................................... 35

Tabla 7. Clculo del volumen total de agua en el montaje. ............................................................................. 35

Tabla 8. Rango de las propiedades del agua en el sistema. ............................................................................. 39

Tabla 9. Cronograma de pruebas microbiolgicas en testigos: ao 2013. ....................................................... 41

Tabla 10. Dimensiones de los testigos.............................................................................................................. 43

Tabla 11. Formato de recoleccin de datos para pruebas hidrulicas. ............................................................ 46

Tabla 12. Anlisis individual del comportamiento de la biopelcula en cada testigo de la tubera de PVC. .... 50

Tabla 13. Anlisis individual del comportamiento de la biopelcula en cada testigo de la tubera de Acero

Galvanizado. ..................................................................................................................................................... 51

Tabla 14. Anlisis individual del comportamiento de la biopelcula en cada testigo de la tubera de

Polietileno......................................................................................................................................................... 51

Tabla 15. Resultados de las pruebas microbiolgicas: Recuento de UFC. ....................................................... 54

Tabla 16. Rugosidad Absoluta promedio en las mediciones sobre la tubera de PVC...................................... 57

Tabla 17. Rugosidad Absoluta promedio en las mediciones sobre la tubera de acero galvanizado. .............. 59

Tabla 18. Rugosidad Absoluta promedio en las mediciones sobre la tubera de polietileno. .......................... 61

Tabla 19. Comparacin de la preferencia de formacin de la biopelcula segn el material........................... 66

Tabla 20. Mediciones de la calibracin del vertedero de la tubera de PVC (Navarrete Rodrguez, 2012). ..... 77

Tabla 21. Mediciones de la calibracin del vertedero de la tubera de acero galvanizado (Navarrete

Rodrguez, 2012)............................................................................................................................................... 78

Tabla 22. Mediciones de la calibracin del vertedero de la tubera de polietileno. ........................................ 79

Tabla 23. Dimensiones de los tanques y vertederos (Navarrete Rodrguez, 2012). ....................................... 80

Tabla 24. Dimensiones de las tuberas (Navarrete Rodrguez, 2012). ............................................................. 81

Tabla 25. Cantidad de Hipoclorito de calcio necesario para elevar la concentracin del sistema ................... 82





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ndice de Grficas

Grfica 1. Biomasa presente en tuberas discriminada por tipo de material (Niquette Patrick P. S., 2000). ... 11

Grfica 2. Comportamiento de la densidad del agua en funcin de la temperatura. ...................................... 14

Grfica 3. Comportamiento de la viscosidad cinemtica del agua en funcin de la temperatura. .................. 15

Grfica 4. Comportamiento de la viscosidad dinmica del agua en funcin de la temperatura. .................... 16

Grfica 5. Diagrama de Moody (Raulsmtz & Wordpress, 2011). ...................................................................... 22

Grfica 6. Curva de calibracin vertedero PVC (Navarrete Rodrguez, 2012). ................................................. 33

Grfica 7. Curva de calibracin vertedero Acero Galvanizado (Navarrete Rodrguez, 2012). .......................... 33

Grfica 8. Curva de calibracin vertedero Polietileno. ..................................................................................... 34

Grfica 9. Curva de Concentracin de Cloro. ................................................................................................... 37

Grfica 10. Curva del rango de temperatura del agua en el sistema. .............................................................. 38

Grfica 11. Comportamiento de la biopelcula en testigos de borde. .............................................................. 47

Grfica 12. Comportamiento de la biopelcula en testigos de centro. ............................................................. 48

Grfica 14. Comportamiento de la velocidad de desarrollo de las biopelculas en testigo de borde. ............. 49

Grfica 13. Comparacin del crecimiento de la biopelcula en testigos de borde y de centro ........................ 49

Grfica 15. Ubicacin de los datos experimentales en el diagrama de Moody para la tubera de PVC. .......... 55

Grfica 17. Efecto de la biopelcula sobre la rugosidad relativa en la tubera de PVC. .................................... 56

Grfica 16. Comportamiento de los resultados experimentales de la tubera de PVC en el diagrama de

Moody. ............................................................................................................................................................. 56

Grfica 18. Ubicacin de los datos experimentales en el diagrama de Moody para la tubera de acero

galvanizado. ...................................................................................................................................................... 58

Grfica 19. Comportamiento de los resultados experimentales de la tubera de acero galvanizado en el

diagrama de Moody. ........................................................................................................................................ 58

Grfica 20. Efecto de la biopelcula sobre la rugosidad absoluta en la tubera de acero galvanizado. ............ 59

Grfica 21. Ubicacin de los datos experimentales en el diagrama de Moody para la tubera de polietileno. 60

Grfica 22. Comportamiento de los resultados experimentales de la tubera de polietileno en el diagrama de

Moody. ............................................................................................................................................................. 60

Grfica 23. Efecto de la biopelcula sobre la rugosidad absoluta en la tubera de polietileno. ....................... 61

ndice de Figuras

Figura 1. Formacin de biopelcula en tuberas (Hernndez M. X., 2010). ...................................................... 10

Figura 2. Plano del montaje: vista en planta (Navarrete Rodrguez, 2012). ..................................................... 23

Figura 3. Plano del montaje: vista lateral (Navarrete Rodrguez, 2012). .......................................................... 24

Figura 4. Esquema de uniones piezmetro-tubera. ........................................................................................ 27





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ndice de Fotografas

Fotografa 1. Modelo fsico aguas arriba. ......................................................................................................... 24

Fotografa 2. Modelo fsico aguas abajo. .......................................................................................................... 24

Fotografa 3. Rebose del tanque elevado (Navarrete Rodrguez, 2012). ......................................................... 25

Fotografa 4. Vertedero triangular mvil. ......................................................................................................... 25

Fotografa 5. Disposicin de los piezmetros en las tuberas. ......................................................................... 26

Fotografa 6. Disposicin externa de los testigos en las tres tuberas. ............................................................ 28

Fotografa 7. Aspecto interno de los testigos. .................................................................................................. 28

Fotografa 8. Tablero Piezomtrico (Navarrete Rodrguez, 2012). ................................................................... 29

Fotografa 9. Sensor diferencial de presin. ..................................................................................................... 29

Fotografa 10. Motobomba. ............................................................................................................................. 30

Fotografa 11. Vlvulas de 4 pulgadas tipo cortina. ......................................................................................... 30

Fotografa 12. Caudalmetro. ............................................................................................................................ 34

Fotografa 13. Mtodo de instalacin a la tubera. .......................................................................................... 34

Fotografa 14. Colormetro de Cloro Libre. ....................................................................................................... 37

Fotografa 15. Fuente de nutrientes para los microorganismos: Pasto Kikuyo (Vargas Castilla, 2012). .......... 39

Fotografa 16. Pesaje de testigo en prueba microbiolgica. ............................................................................ 42

Fotografa 17. Perspectiva interna de la tubera de PVC. ................................................................................. 43

Fotografa 18. Recuento de microorganismos hetertrofos en tubera de PVC: Prueba 1 (CIIA, 2013). ......... 52

Fotografa 19. Recuento de microorganismos hetertrofos en tubera de PVC: Prueba 2 (CIIA, 2013). ......... 52

Fotografa 21. Recuento de microorganismos hetertrofos en tubera de acero galvanizado: Prueba 2 (CIIA,

2013)................................................................................................................................................................. 53

Fotografa 20. Recuento de microorganismos hetertrofos en tubera de acero galvanizado: Prueba 1 (CIIA,

2013)................................................................................................................................................................. 53

Fotografa 22. Recuento de microorganismos hetertrofos en tubera de polietileno: Prueba 1 (CIIA, 2013).

.......................................................................................................................................................................... 53

Fotografa 23. Recuento de microorganismos hetertrofos en tubera de polietileno: Prueba 2 (CIIA, 2013).

.......................................................................................................................................................................... 53





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1. Introduccin

Durante las ltimas dcadas el tema del crecimiento de biopelculas en redes de

distribucin de agua potable ha sido sustancialmente estudiado. Se han llevado a cabo

estudios acerca de sus caractersticas en distintos tipos de flujo, con diferentes condiciones

de operacin, llegando a resultados importantes. En la Universidad de los Andes, este tema

se ha venido desarrollando hace varios aos atrs, a travs de diversos proyectos de grado

realizados por estudiantes y por el Centro de Investigaciones en Acueductos y

Alcantarillados (CIACUA), centro especializado en recursos hdricos e hidrulicos. En este

trabajo se pretende continuar la indagacin de este tema, utilizando el conocimiento

adquirido previamente, para de esta forma complementar esta lnea de investigacin.

Gracias a mecanismos de potabilizacin en plantas de tratamiento, el agua que es enviada a

travs de una red de tuberas subterrneas a la poblacin, cuenta con caractersticas que

permiten al ser humano ingerirla sin generar efectos dainos sobre su salud. Sin embargo

ha sido posible evidenciar cmo, durante el recorrido de la red hacia el usuario, el agua

sufre cambios negativos en sus cualidades fsicas y en su composicin qumica. Este efecto

ha sido atribuido al crecimiento de microorganismos en las paredes internas de las tuberas,

en donde a partir de diversas fuentes, la materia orgnica es utilizada como alimento para

sobrevivir. La principal fuente es la materia orgnica residual del proceso de potabilizacin

en las plantas de tratamiento de agua potable (PTAP) (Navarrete Rodrguez, 2012). Estos

organismos se agrupan en biopelculas en el interior de las tuberas y esta configuracin es

su manera ptima de subsistencia, lo cual representa un problema de salud pblica, pues

tienen la capacidad de generar tanto propiedades organolpticas indeseables (color, olor),

como la subsistencia de organismos patgenos perjudiciales para la vida (Batt, et al.,

2003). El peligro existente en las redes de distribucin, es la factibilidad de que estas

biopelculas se desprendan de la tubera gracias a esfuerzos cortantes, y afecten la calidad

del agua que posteriormente va a ser consumida por los beneficiarios de la red. Gracias a

esto se ve la necesidad de establecer claramente el comportamiento de las biopelculas en

tuberas con diferentes tipos de materiales, identificando su tasa de crecimiento y grado de

afectacin, a fin de evitar que esto siga ocurriendo en el futuro en las redes de distribucin,





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IAMB 201210 20

y de esta manera contribuir a que ocurran menor cantidad de problemas de salud

ocasionados por el agua potable proporcionada por la ciudad.

Por otro lado se ha encontrado que las biopelculas tienen la capacidad de afectar el

comportamiento hidrulico de una tubera. En general, generan rugosidades que perjudican

el flujo de agua, haciendo que se requiera, tanto un anlisis hidrulico ms detallado, como

una mayor potencia para llevar el agua a todos los destinos necesarios (CIACUA, 2004).

Las rugosidades que generan las biopelculas son sustancialmente mayores a aquellas

asociadas con la operacin inicial de las tuberas. As, al tener un mejor conocimiento del

comportamiento de los microorganismos, es posible utilizar la infraestructura en mejor

manera y reducir los costos asociados con la operacin.

A travs de un modelo fsico compuesto por tres tuberas paralelas de distintos materiales y

con la misma longitud, adaptadas para permitir el flujo de agua dentro de ellas, se

desarrollaron las diferentes pruebas para poder obtener un anlisis experimental y

cuantitativo de la teora asociada. Este modelo pretende simular un fragmento de tubera

tpica de una red de distribucin de agua potable, por medio de la recreacin de

caractersticas normales de operacin de este tipo de sistemas. En las pruebas se utiliza

agua potable con constante adicin de cloro, manteniendo los niveles de concentracin

permisibles, en donde acta como desinfectante evitando as la contaminacin del agua con

organismos perjudiciales para la salud, causada por la formacin de los mismos en el

interior de las tuberas. De la misma manera, es abastecida de pasto que simboliza la fuente

de nutrientes para los microorganismos, garantizando la alimentacin suficiente para su

desarrollo. Considerando la oferta de materiales en el mercado, se opt por una tubera de

PVC, una de acero galvanizado y una de polietileno. A partir de pruebas en estos materiales

se espera poder describir en mejor medida el comportamiento de las biopelculas en

tuberas, teniendo en cuenta que el crecimiento de las mismas es inevitable. Adicionalmente

se pretende identificar el material con mayor aptitud para ser utilizado en las redes de

acueducto.

Las pruebas realizadas se pueden dividir en dos mbitos distintos: el hidrulico y el

microbiolgico. En cuanto al primero, se realizaron pruebas de cada de presin con





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IAMB 201210 20

piezmetros instalados a lo largo de la tubera. Tambin por medio de vertederos se realiza

la medicin del caudal, el cual est sujeto a variaciones por medio de vlvulas que regulan

el flujo del agua. Para el segundo campo se realizaron mediciones del espesor de la

biopelcula y el recuento de las unidades formadoras de colonias (UFC) que se desarrollan

dentro de las tuberas del modelo. Paralelamente se realizaron mediciones de parmetros

que determinan el comportamiento hidrulico y microbiolgico como la temperatura y la

concentracin de cloro.

Teniendo las condiciones indicadas, en el modelo, reguladas, se lleva a cabo una

recirculacin del agua en el sistema, y se hacen las observaciones y experimentos

mencionados en el trascurso del tiempo, el cual debe ser suficiente para que en las tuberas

se d el crecimiento de la biopelcula. Proceso que empieza inmediatamente con el flujo de

agua dentro de los tubos, pero que requiere un tiempo determinado para mostrar

caractersticas fsicas observables. Con las diferentes mediciones se llevar a cabo un

anlisis y comparacin del comportamiento de las pelculas bacterianas en las paredes

internas de las tuberas en algunos de los materiales de mayor utilizacin en la distribucin

de agua potable. El anlisis hidrulico se har con las frmulas propuestas por Darcy-

Weisbach para las prdidas por friccin, y la de Colebrook-White para definir el flujo del

agua en funcin de sus caractersticas geomtricas y estructurales.





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IAMB 201210 20

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Hallar la influencia del material sobre el crecimiento de biopelculas en tuberas con agua

potable con un alto contenido de carbono orgnico disuelto biodegradable (pastos).

2.2. Objetivos especficos

Llevar a cabo la operacin del modelo fsico de tuberas compuestas por diferentes

materiales y entablar un crecimiento bacteriano en cada una de ellas.

Realizar mediciones de la cantidad de bacterias que se forman en cada tubera

utilizada.

Encontrar el efecto de las biopelculas sobre la rugosidad de las tuberas a travs de

mediciones de cada de presin y su anlisis por medio del comportamiento del

fluido descrito por Darcy-Weisbach y Colebrook-White principalmente.

Establecer tanto una demanda de cloro, como una alimentacin de contenido

orgnico para el crecimiento de la pelcula bacteriana.

Identificar las diferencias en el crecimiento de la biopelcula en cada uno de los

materiales cualitativa y cuantitativamente, realizando una recomendacin sobre la

utilizacin de los mismos en redes de distribucin de agua potable.

Complementar en el tema de la formacin de biopelculas en tuberas llevando a

cabo una comparacin con estudios previos realizados y otros sistemas con

caractersticas similares.





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IAMB 201210 20

3. Antecedentes

Este trabajo representa una continuacin del proyecto de grado realizado por Sandra

Carolina Navarrete: Modelacin fsica de biopelculas en redes de distribucin de agua

potable alimentadas con carbono orgnico disuelto (Navarrete Rodrguez, 2012), puesto

que es utilizado el mismo modelo construido e implementado por ella con algunos

elementos agregados. La importancia de la continuacin reside en la observacin y

experimentacin del sistema a lo largo de un prolongado periodo de tiempo, a fin de

obtener un mayor entendimiento de la biopelcula y su crecimiento en diferentes etapas de

su vida. A partir de los anlisis del anterior proyecto, se espera continuar con la

investigacin para de esta forma ampliar el conocimiento en el tema. De la misma manera,

posterior a este trabajo, es importante continuar con la investigacin de este sistema puesto

que las redes de acueducto tienen una vida til extensa y su comportamiento es dinmico en

el tiempo. As, se tendra un anlisis del modelo en su etapa inicial con el trabajo de

Carolina Navarrete, durante los primeros das de operacin. Luego, en este trabajo, una

etapa intermedia transcurrida durante el primer ao de recirculacin en las tuberas y por

ltimo, posibles trabajos subsecuentes durante los siguientes aos.

El proyecto de grado previamente descrito no ha sido el nico en indagar sobre este tema en

la Universidad de los Andes. Se han realizado diversos estudios sobre las biopelculas en

tuberas en diferentes modelos compuestos y operados de maneras diferentes. Se han

utilizado tuberas hechas de diferentes materiales y dimetros, siendo stas puestas a prueba

con flujos de agua de distintas velocidades y alimentados por diversas fuentes de nutrientes.

Por otra parte, esta temtica tambin se ha estudiado aos atrs en diferentes partes del

mundo, por cientficos de diferente origen, lo cual contribuye en gran medida al

entendimiento del crecimiento de los microorganismos en tuberas de distribucin de agua

potable. A continuacin se realiza un resumen de trabajos previos aprovechados en el

presente proyecto, identificando sus respectivas conclusiones.

Efecto Hidrulico de la Pelcula Biolgica sobre el Coeficiente de Rugosidad ks en

tuberas de agua potable (CIACUA, 2004) constituye un estudio realizado por la

Universidad de los Andes en su Facultad de Ingeniera por medio del convenio





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IAMB 201210 20

realizado entre el CIACUA y la empresa PAVCO en un grupo de investigacin

denominado Ctedra PAVCO. En ste se llev un anlisis del crecimiento de la

biopelcula en tuberas de PVC en donde se registra un aumento acelerado de la

rugosidad absoluta a medida que avanza el tiempo, alcanzado un valor un orden de

magnitud mayor al encontrado durante la operacin inicial del sistema.

Influencia de los materiales de tuberas en la formacin de biopelculas (Vargas &

Saldarriaga, 2005) elaborado por Andrea Vargas Gamarra, efecta un anlisis muy

similar al de este proyecto puesto que en el sistema utilizado se cuenta con tuberas

de PVC y de polietileno, los cuales son, actualmente, las principales opciones para

la construccin de redes de agua potable. A partir de variadas mediciones se

concluye que efectivamente existe un aumento en la rugosidad de las tuberas de

estos materiales y hay una mayor colonizacin de biopelcula en tuberas de

polietileno que en las de PVC.

Efecto Hidrulico de las biopelculas en tuberas de distribucin de agua potable

(Latorre, 2005) realizado en el 2005. En ste se efectu un anlisis de la rugosidad

absoluta afectada por el crecimiento de pelculas bacterianas a partir de un modelo

compuesto por tres tuberas de diferentes materiales: PVC, polietileno de media

densidad (MDPE) y hierro. El suministro de nutrientes se realiza a travs de fosfato

diamnico como fuente de nitrgeno y fsforo, y glucosa como fuente orgnica. Se

encontr que las biopelculas tienen una mayor adherencia al PVC que al MDPE

indicando una mayor afectacin sobre el valor de la rugosidad absoluta en la

primera. Sin embargo, se establece que el regeneramiento de la biopelcula es mayor

en la tubera de MDPE.

Influencia de la fuente de carbono en el desarrollo de biopelculas y su efecto

hidrulico en sistemas de distribucin de agua potable (Hernndez M. X., 2010)

presentado por Mara Ximena Hernndez: describe que el crecimiento bacteriano en

la tubera depende del material de la misma lo cual afecta directamente las prdidas





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IAMB 201210 20

de energa generadas en el sistema. Concluye que el aumento en el factor de friccin

es mayor en tuberas de CCP, que en tuberas de polietileno y PVC (Navarrete

Rodrguez, 2012).

Modelacin Fsica de biopelculas en redes de distribucin de agua potable

alimentadas con carbono orgnico disuelto (Trujillo, 2011) presentado por Mara

Ximena Trujillo: concluye que el crecimiento de biopelculas depende de la

velocidad de flujo a causa de la transferencia de masa entre los nutrientes del agua y

la biopelcula, con lo cual a medida que la velocidad en el sistema aumenta, el

crecimiento de biopelcula en el mismo tambin. Adicionalmente, encuentra que la

variacin del factor de friccin frente al Nmero de Reynolds no se relaciona por

medio del diagrama de Moody debido a las propiedades visco-elsticas de la

biopelcula que le permite deformarse absorbiendo o liberando energa (Navarrete

Rodrguez, 2012).

Biopelculas alimentadas con CODB mediante pastos: dinmica de crecimiento y

desprendimiento en sistemas de distribucin de agua potable (Vargas Castilla,

2012). Este fue el proyecto de grado de Tatiana Vargas en el 2012, como

continuacin al trabajo mencionado previamente de Mara Ximena Trujillo. En este

se analiza un modelo de tuberas de PVC con flujos de agua de distintas

velocidades, encontrando y confirmando lo encontrado por Mara Trujillo en donde

se observa que entre mayor sea la velocidad (dentro del rango indicado), mayor es

el crecimiento de las biopelculas. Adicionalmente realiza comparaciones entre

modelos proporcionados por diferentes fuentes de alimento para los

microorganismos estableciendo un mayor crecimiento con fuentes como pastos

representando carbn orgnico disuelto biodegradable, sobre fuentes como fosfato

diamnico (DAP) o glucosa.

Modelacin fsica de biopelculas en redes de distribucin de agua potable

alimentadas con carbono orgnico disuelto (Navarrete Rodrguez, 2012). Este

trabajo realizado por Carolina Navarrete representa la fase previa a la presente





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IAMB 201210 20

investigacin. Durante su realizacin, se construy el modelo inicialmente de dos

tuberas paralelas: una de PVC y otra de acero galvanizado y al mismo tiempo se

realizaron adecuaciones para instalar un tercer tubo de polietileno. Asimismo se

realizaron mediciones sobre las dos tuberas iniciales encontrando una alta tasa de

crecimiento bacteriano en las paredes internas durante los primeros das de

operacin. Con mayor acumulacin y concentracin de microorganismos en aquella

tubera elaborada de acero que en la de PVC. Adicionalmente, de este trabajo se

extraen las curvas de calibracin de los vertederos de las primeras dos tuberas, ya

que representa el mismo sistema.





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IAMB 201210 20

4. Marco Terico

Antes de mostrar el proceso de experimentacin y desarrollo tanto de las pruebas como del

modelo, es necesaria una revisin bibliogrfica que permita entender la teora asociada con

el crecimiento de biopelculas en tuberas y su afectacin sobre la rugosidad absoluta de los

materiales. De este modo, se divide el marco terico en dos grandes captulos: mbito

microbiolgico y mbito hidrulico. En el primero se definir el conocimiento acerca de la

biopelcula generada por microorganismos y la metodologa de medicin de la misma,

mientras que en el segundo se detallarn aquellas ecuaciones utilizadas con el fin de

determinar el comportamiento hidrulico del agua en las tuberas. Sin embargo, como este

trabajo, en general, representa una continuacin de esfuerzos realizados por varias

personas, la informacin terica presentada acopla de forma sucinta lo encontrado por ellas,

con el fin de evitar la reiteracin y centrarse en mayor medida en la comparacin de los

resultados pues el marco terico debera ser similar en todos los trabajos realizados.

4.1. mbito Microbiolgico

4.1.1. Definicin de biopelcula

La biopelcula es un conjunto de microorganismos que han llevado a cabo un proceso de

acumulacin. Se agrupan para poder subsistir pues esta configuracin es la ms adecuada

para su reproduccin y formacin. En la biopelcula se pueden encontrar diferentes tipos de

microorganismos: bacterias, hongos, virus, bacilos, etc. Al realizar una comunidad, generan

una matriz polimrica que les da proteccin. Esta matriz se puede adherir fcilmente a

cualquier tipo de superficie, viva o inerte (CIACUA, 2009; Navarrete 2012).

4.1.2. Crecimiento y formacin microbiolgica

El ambiente en una tubera no es el ms adecuado para una biopelcula; sin embargo gracias

a materia orgnica y otros elementos que no son eliminados en procesos de potabilizacin o

que entran al sistema a travs de fisuras, fenmenos que son actualmente inevitables, la

biopelcula tiene la capacidad de desarrollarse a partir de los nutrientes que obtiene

(Navarrete Rodrguez, 2012). La siguiente tabla muestra algunas variables importantes para

que exista un crecimiento de biopelcula:





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Tabla 1. Variables importantes en la adhesin celular para la formacin de biopelculas (Dolan, 2002).

La biopelcula se adhiere a una superficie siguiendo las etapas a continuacin: primero

acondicionamiento de la superficie, luego adhesin de bacterias pioneras, posteriormente

formacin de las sustancias polimricas extracelulares, en la cuarta etapa ocurre el

desarrollo, reproduccin y colonizacin de microorganismos secundarios, y por ltimo el

desprendimiento y una nueva colonizacin. En la siguiente figura se puede ver el efecto

combinado de todas las etapas de una manera visual. Adicionalmente se seala que la

caracterizacin detallada de cada etapa se puede encontrar en el trabajo (Navarrete

Rodrguez, 2012).

Figura 1. Formacin de biopelcula en tuberas (Hernndez M. X., 2010).

La fuente de energa para la biopelcula proviene de diferentes elementos: carbn orgnico,

nitrgeno, fsforo, azufre, y metales y trazas. Ms especficamente estos componentes

provienen de cidos hmico y flvico propios del agua, nitritos, nitratos, fosfatos, y sulfatos

del agua, y cido sulfrico del pre-tratamiento. Tambin el polvo, los subproductos

microbianos, plastificantes, solventes, plsticos reforzados con fibra de vidrio y otros

componentes, por ejemplo del acero inoxidable, funcionan como fuente de nutrientes para

los microorganismos (Navarrete Rodrguez, 2012).

Propiedades del sustrato Propiedades del fluido Propiedades de las clulas

Velocidad Hidrofobicidad de la superficie celular

pH

Temperatura

Cationes

Presencia de agentes antimicrobianos

Textura o rugosidad

HidrofobicidadSustancias polimricas extracelulares (EPS)

Fimbrias y flagelos





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4.1.3. Caractersticas de los materiales en tuberas de redes de distribucin

A partir de diferentes estudios se ha podido evidenciar la presencia de microorganismos en

diferentes tipos de materiales. En el ao 2000, Niquette llev a cabo un anlisis bastante

completo de los materiales disponibles en el mercado encontrando la densidad de la

biomasa asociada con cada uno de ellos de la siguiente manera:

Grfica 1. Biomasa presente en tuberas discriminada por tipo de material (Niquette Patrick P. S., 2000).

Por medio de la Grfica 1 se puede especular que en materiales como el PVC y el

polietileno, se encuentre menor cantidad de microorganismos que en aquella fabricada en

acero galvanizado. Adicionalmente se puede observar que las densidades esperadas de

biomasa en materiales plsticos como el PVC y el polietileno, son menores a materiales

asociados con metales y cemento, como el hierro o el asbesto-cemento.

4.1.4. Metodologa de medicin

Para poder realizar mediciones microbiolgicas, principalmente aquellas asociadas con la

estimacin del espesor de la biopelcula en las tres tuberas, se requiere de la definicin de

las siguientes frmulas, que representan la metodologa con la que estas pruebas fueron

llevadas a cabo.

Inicialmente se debe establecer la magnitud de la biomasa en los testigos, para esto se

utiliza la siguiente ecuacin:





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Ecuacin 1. Peso de la biomasa en los testigos.

Posteriormente, con el peso de la biomasa definido, es posible realizar una cuantificacin

del espesor de la biopelcula utilizando la frmula a continuacin:

Ecuacin 2. Espesor de la biopelcula.

Adicionalmente se espera obtener un comportamiento no slo de la magnitud del espesor

sino tambin de la velocidad en la que se desarrolla la biopelcula tanto en los testigos de

centro como en los de borde. Para conseguir esto se utiliza la Ecuacin 3.

Donde: i es el nmero de medicin

Ecuacin 3. Velocidad de desarrollo de la biopelcula.

Por ltimo, teniendo en cuenta que en una campaa de medicin se realiza la remocin

cuatro testigos de centro; el anlisis del espesor se divide en stos por medio de un clculo

simple del promedio de los espesores encontrados individualmente en cada uno de ellos.

Con: i = nmero de identificacin del testigo

Ecuacin 4. Espesor promedio en testigos de centro.

4.2. mbito Hidrulico

4.2.1. Propiedades del agua en funcin de la temperatura

El agua es un compuesto que tiene la capacidad de cambiar a estado slido o gaseoso

cuando alcanza ciertas temperaturas: el punto de congelamiento a 0C y el punto de





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ebullicin a 100C. Entre estas dos temperaturas el agua se encuentra en estado lquido y

propiedades como la densidad y la viscosidad varan a lo largo del rango de temperatura.

De esta manera, es importante tener en cuenta la fluctuacin de la temperatura a lo largo del

da y as llevar a cabo clculos con mayor exactitud, realizando una mejor estimacin de la

realidad.

A partir de la Tabla A.1.1 en el libro Hidrulica de tuberas: abastecimiento de agua,

redes, riegos, en donde se muestran datos de las propiedades fsicas del agua en el sistema

internacional de unidades, se desarrollan tres grficas identificando el comportamiento de la

densidad, la viscosidad cinemtica y la viscosidad dinmica del agua en estado lquido en

funcin de la temperatura, las cuales se muestran a continuacin.

Tabla 2. Propiedades del agua lquida a diferentes temperaturas (Saldarriaga J. G., 2007).

Temperatura Densidad Viscosidad Cinemtica

(C) (kg/m3) (m2/s) x10-6

0 999.9 1.792

5 1000 1.519

10 999.7 1.308

15 999.1 1.141

20 998.2 1.007

25 997.1 0.897

30 995.7 0.804

35 994.1 0.727

40 992.2 0.661

45 990.2 0.605

50 988.1 0.556

55 985.7 0.513

60 983.2 0.477

65 980.6 0.444

70 977.8 0.415

75 974.9 0.39

80 971.8 0.367

85 968.6 0.347

90 965.3 0.328

95 961.9 0.311

100 958.4 0.296





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A partir de la anterior tabla se generaron grficas que permiten entender mejor el

comportamiento de cada una de las caractersticas a medida que la temperatura incrementa,

obteniendo regresiones polinomiales que, posteriormente, permiten identificar

sencillamente los valores asociados empleando slo la temperatura.

Grfica 2. Comportamiento de la densidad del agua en funcin de la temperatura.

De la anterior grfica se realiza una regresin polinomial de cuarto orden con bondad de

ajuste (R2) de 0.9999 en donde T representa la temperatura en grados Celsius:

Ecuacin 5. Densidad del agua.

955

960

965

970

975

980

985

990

995

1000

1005

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

De

nsi

dad

(kg

/m3 )

Temperatura (C)





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Grfica 3. Comportamiento de la viscosidad cinemtica del agua en funcin de la temperatura.

Realizando una regresin polinomial con R2 de 0.9997 se obtiene la siguiente ecuacin:

Ecuacin 6. Viscosidad Cinemtica del agua.

Por ltimo se realiza un anlisis de la viscosidad absoluta o dinmica del agua a diferentes

temperaturas conociendo su relacin con las dos variables anteriores:

Ecuacin 7. Viscosidad Dinmica.

A partir de los valores de la densidad y viscosidad cinemtica en la Tabla 2 y de la

Ecuacin 7 se desarrolla la siguiente grfica:

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vis

cosi

dad

Cin

em

tic

a (m

2 /s)

x1

0-6

Temperatura (C)





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Grfica 4. Comportamiento de la viscosidad dinmica del agua en funcin de la temperatura.

4.2.2. Nmero de Reynolds y Rgimen de flujo

Por medio de una serie de experimentos realizados por Osborne Reynolds se encontr que

el flujo del agua y su interaccin con superficies slidas, puede ser diferenciado por su

estabilidad. A travs de los experimentos pudo observar que, mediante la utilizacin de un

filamento de tinta, aplicando caudales de diferente magnitud la mezcla de los fluidos

ocurra de formas distintas. Inicialmente con caudales bajos la tinta no se mezclaba con el

agua de ninguna forma pero a medida que se aumentaba, hasta caudales intermedios, el

filamento de tinta empezaba a presentar movimientos sinusoidales dentro de las tuberas,

siendo cada vez ms inestable. Al incrementar an ms el caudal, el filamento de tinta, ya

inestable, alcanza una distancia mxima en donde ocurre una mezcla completa con el agua

y el filamento deja de existir. Posteriormente seran Ludwig Prandtl y su alumno Theodore

Von Krmn quienes explicaran y definiran el movimiento de los fluidos en sus distintos

estados por medio del concepto de la longitud de mezcla para caracterizar la turbulencia

con mayor claridad (Saldarriaga J. G., 2007).

Para distinguir estos tres tipos de flujo, segn la definicin cualitativa provista por

Reynolds y el anlisis de Prandtl y Von Krmn, se les denomin de la siguiente manera

(Saldarriaga J. G., 2007):

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014

0.0016

0.0018

0.002

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vis

cosi

dad

Din

mic

a (k

g /

m*s

)

Temperatura (C)





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Flujo laminar: No existe intercambio molecular ni mezcla entre capas gracias a que

la viscosidad se mantiene suficientemente alta, las fuerzas viscosas predominan

sobre las inerciales.

Flujo de transicin: Representa la etapa de transicin entre el flujo laminar al flujo

turbulento, el comportamiento del fluido empieza a ser inestable pero no

completamente, an no hay mezcla completa.

Flujo Turbulento: Ocurre cuando hay intercambio molecular entre capas del fluido y

la mezcla se da completamente. Este intercambio es tan fuerte que aminora las

fuerzas viscosas, generando que las fuerzas inerciales sean ms significativas. Las

partculas del fluido no se mueven en la misma direccin ni a la misma velocidad

entre ellas mismas, causando que se deba hablar de una velocidad promedio.

Con la finalidad de especificar la naturaleza del flujo que se presenta en tuberas a presin y

el comportamiento molecular del agua, se desarroll el nmero de Reynolds (Re) que

establece, a partir de un rango de valores del mismo, el tipo de flujo que se presenta. Este

nmero adimensional es funcin de la velocidad (v) y la viscosidad cinemtica () del

fluido, y del dimetro de la tubera (d) para el caso de flujo a presin.

Ecuacin 8. Nmero de Reynolds.

Utilizando la Ecuacin 8, por medio de la experimentacin, Reynolds defini los rangos

para determinar el rgimen de flujo de la siguiente manera:

Tabla 3. Rgimen de flujo segn el nmero de Reynolds (Saldarriaga J. G., 2007).

Nmero de Reynolds Rgimen de flujo

Re





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Ms tarde Prandtl, apoyndose en la teora de la longitud de mezcla y definiendo el

esfuerzo cortante turbulento, pudo establecer el comportamiento de las prdidas de energa

por friccin en ductos a partir de la teora de la Interaccin Flujo - Pared Slida. Esta ltima

permite discriminar el flujo turbulento en tres categoras: hidrulicamente liso,

hidrulicamente rugoso y flujo turbulento transicional. Para poder entender la diferencia

entre estos tres tipos de flujo, fue necesario definir la subcapa laminar viscosa como aquella

zona aledaa a la superficie slida de la tubera, en donde la presencia de la misma, evita el

intercambio molecular comn en flujos gobernados por la turbulencia, llevando a que se

genere una regin de flujo laminar en la cercana a la pared (Saldarriaga J. G., 2007).

La magnitud de la subcapa laminar viscosa () se obtiene con la siguiente ecuacin:

Donde: : viscosidad cinemtica

v*: velocidad de corte

Ecuacin 9. Subcapa Laminar Viscosa.

Previamente Prandtl defini la velocidad de corte de la siguiente manera:

Con o: esfuerzo cortante

: densidad

Ecuacin 10. Velocidad de Corte

Descrito de forma cualitativa, el flujo hidrulicamente liso ocurre cuando la rugosidad

absoluta (ks) del material es significativamente inferior al espesor de la subcapa laminar

viscosa () causando que el flujo se comporte como si la rugosidad no existiera. Por el

contrario cuando la rugosidad es sustancialmente mayor al espesor de la subcapa, el flujo es

determinado hidrulicamente rugoso. Por ltimo aquella zona transicional se da cuando la





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rugosidad y el espesor de la subcapa laminar tienden a magnitudes similares y no se salen

de los lmites establecidos para los flujos hidrulicamente lisos y rugosos.

De manera cuantitativa se establecieron los siguientes lmites a fin de caracterizar el

rgimen turbulento de flujo:

Tabla 4. Rgimen de flujo turbulento segn la rugosidad absoluta y el espesor de la subcapa laminar.

Rgimen de flujo turbulento Rango

Hidrulicamente Liso ks 0.305' Transicional 0.305' < ks < 6.1'

Hidrulicamente Rugoso ks 6.1'

4.2.3. Prdidas por friccin

Inicialmente se establece la relacin directa entre el esfuerzo cortante en la pared del

conducto con la cada de altura piezomtrica (hf) de la siguiente manera para una tubera

circular (Saldarriaga J. G., 2007):

En la ecuacin 11: Rh: radio hidrulico

: peso especfico

Sf: pendiente de friccin

d: dimetro

hf: cada piezomtrica

L: distancia longitudinal

Ecuacin 11. Relacin entre el Esfuerzo Cortante y la cada de altura piezomtrica (hf).

Por otra parte la cada de altura piezomtrica en flujos de tuberas a presin puede ser

descrita a partir de la ecuacin de Darcy-Weisbach obtenida de un anlisis dimensional

incorporando aquellas caractersticas geomtricas, cinemticas y dinmicas que repercuten

en el comportamiento de la prdida de energa por causa de la friccin, denominada hf.

Finalmente se estableci que las prdidas son funcin de la longitud (L) y el dimetro (d)

de la tubera, y de la velocidad promedio de flujo (v), sin olvidar la influencia de la





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IAMB 201210 20

gravedad (g). En esta ecuacin se declara un factor de friccin (f) que vara de acuerdo a los

diferentes parmetros, dependiendo del tipo de flujo gobernante (Saldarriaga J. G., 2007).

Ecuacin 12. Frmula de Darcy-Weisbach

Reordenando los trminos de la frmula de Darcy-Weisbach se obtiene la siguiente

ecuacin que ser utilizada para calcular el factor de friccin.

Ecuacin 13. Factor de Friccin (f) en la frmula de Darcy-Weisbach

4.2.4. Factor de friccin y Diagrama de Moody

Estudios individuales y conjuntos realizados por Prandtl, Von Krmn, Colebrook, White,

y Moody, entre otros, permitieron entender completamente el comportamiento de la

rugosidad de los materiales y su respectivo valor del factor de friccin a travs de los

diferentes tipos de flujo descritos previamente. Primero es conveniente mencionar que cada

material tiene un valor propio, caracterstico, de ks, el cual permanece constante sin

importar el rgimen de flujo que ocurra en las tuberas, incrementos en su magnitud se

deben a la generacin de biopelculas y otros factores que disminuyen la capacidad de

transporte de las redes. Por otro lado, el factor de friccin vara segn el tipo de flujo de la

siguiente manera: en flujo laminar, depender nicamente del nmero de Reynolds el cual,

en este tipo flujo, tiene valores bajos a lo sumo de 2200; por el contrario en flujos

turbulentos, f slo depende de la rugosidad relativa (ks/d) ya que tiende a estabilizarse en un

nico valor a medida que sigue aumentado el nmero de Reynolds, es decir es

independiente del mismo. Por consiguiente, en la etapa de transicin entre estos dos tipos

de flujo, el factor de friccin es funcin, tanto del nmero de Reynolds como de la

rugosidad relativa. En otras palabras el factor de friccin se ve influenciado por el

comportamiento del fluido y por las caractersticas estructurales y geomtricas de la tubera

durante la transicin.





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Enseguida se har una revisin de aquellas frmulas que describen la relacin entre la

rugosidad y los distintos regmenes de flujo (Saldarriaga J. G., 2007).

Flujo Laminar

Ecuacin 14. Factor de Friccin en Flujo Laminar.

Flujo turbulento hidrulicamente liso: ecuacin de Prandtl-Von Krmn

Ecuacin 15. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Liso.

Ecuacin 16. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Liso reformada.

Flujo turbulento hidrulicamente rugoso: ecuacin de Prandtl-Von Krmn

Ecuacin 17. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Rugoso.

Ecuacin 18. Ecuacin de Prandtl-Von Krman para Flujo Turbulento Hidrulicamente Rugoso reformada.

Flujo turbulento Transicional: ecuacin de Colebrook-White

Ecuacin 19. Frmula de Colebrook-White.





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Realizando una reorganizacin de los trminos en la ecuacin de Colebrook-White se

despeja la rugosidad absoluta pues este parmetro es el que se quiere identificar luego de

las pruebas.

Ecuacin 20. Rugosidad Absoluta (ks) en la frmula de Colebrook-White

Diagrama de Moody

En 1944 Lewis Moody dio a conocer sus estudios realizados sobre las prdidas por friccin

en tuberas basndose en los estudios de Johann Nikuradse y de Colebrook-White. Por

medio de sus resultados gener una grfica que permita observar el comportamiento del

factor de friccin en todos los tipos de flujo. El diagrama de Moody es reconocido

mundialmente y jug una parte importante en la historia del clculo de las prdidas por

friccin en tuberas durante un periodo de tiempo significativo (Saldarriaga J. G., 2007).

Grfica 5. Diagrama de Moody (Raulsmtz & Wordpress, 2011).





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5. Modelo Fsico

En el Laboratorio de Hidrulica de la Universidad de los Andes, se dispone un espacio para

el estudio de acueductos y alcantarillados. All fue construido un modelo por Carolina

Navarrete durante el primer semestre del 2012, inicialmente con dos tuberas para su

estudio: una de PVC, y otra de acero galvanizado. Posteriormente, a finales del mismo ao,

se termin la instalacin de la tercera tubera; el material destinado para esta ltima fue

polietileno. El proceso de construccin del montaje est descrito de manera detallada en el

trabajo de su misma autora (Navarrete Rodrguez, 2012). Sin embargo en este captulo se

presentarn los detalles ms importantes del modelo elaborado, sus componentes, y las

adecuaciones realizadas.

5.1. Componentes del modelo

En primera instancia se presentan dos planos del modelo: uno en vista en planta y otro

lateral. Las vistas del modelo fueron realizadas utilizando Autocad.

Figura 2. Plano del montaje: vista en planta (Navarrete Rodrguez, 2012).





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IAMB 201210 20

Figura 3. Plano del montaje: vista lateral (Navarrete Rodrguez, 2012).

A continuacin se expondrn algunas fotografas del montaje que permitan entender en

mejor medida los planos en las Figuras 2 y 3.

Fotografa 1. Modelo fsico aguas arriba. Fotografa 2. Modelo fsico aguas abajo.





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IAMB 201210 20

En las Fotografas 1 y 2 se puede observar el modelo desde dos perspectivas

complementarias, en la primera se observa el sistema aguas arriba, mientras que en la

segunda aguas abajo. En ambas, se puede distinguir las tres tuberas en serie paralelas

fabricadas de, observando la Fotografa 2 de izquierda a derecha, PVC, acero galvanizado,

y polietileno y alrededor de ellas la estructura de almacenamiento. Adems es posible ver el

tanque elevado en la Fotografa 1 en donde se advierte en el centro de su cara frontal, la

salida de agua que alimenta al sistema. Durante la toma de las fotografas, la nica tubera

en operacin es la de polietileno.

Adicionalmente se caracterizan, a partir de fotografas, algunos elementos individuales del

sistema en mayor detalle:

Rebose de tanque elevado (Fotografa 3): Cuando el tanque llega a cierta capacidad

rebosa a travs de un ducto que evita que se exceda su capacidad mxima

manteniendo el volumen constante en el interior (Navarrete Rodrguez, 2012).

Vertederos triangulares (Fotografa 4): Estas estructuras permiten llevar a cabo una

medicin indirecta del caudal a partir de un limnmetro mvil para las tres tuberas.

Fotografa 4. Vertedero triangular mvil. Fotografa 3. Rebose del tanque elevado (Navarrete Rodrguez, 2012).





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Piezmetros: En dos ubicaciones a lo a largo de la tubera separadas a 2.1 m de

distancia, se adaptaron piezmetros a los tubos por medio de mangueras de . La

primera ubicacin representa la frontera inicial de la medicin, mientras que la

segunda la frontera final. Los piezmetros permiten realizar una cuantificacin de la

presin y, empleando los dos puntos de medicin, de la cada de la presin. En la

siguiente fotografa se muestra la forma en que fueron dispuestos los 5 piezmetros

en cada sitio de inters. En cada punto se debe garantizar la impermeabilidad

evitando al mximo las fugas de agua. Tambin se debe regular que la fraccin de la

manguera que entra a la tubera sea mximo hasta su espesor y as evitar vrtices

internos generando cambios en la presin. Es importante mencionar que en las

ubicaciones superiores de los piezmetros se detecta la presencia de burbujas de aire

que entran al sistema, afectando en cierta medida la medicin. Anlogamente en los

piezmetros inferiores no ocurre esto pero al mismo tiempo se tiene un mayor grado

de dificultad en controlar las fugas. Adicionalmente se muestra un esquema de la

posicin de las uniones piezmetro-tubera con su respectiva nomenclatura desde

una vista frontal; este esquema se repite en todas las tuberas, aguas arriba y aguas

abajo.

Fotografa 5. Disposicin de los piezmetros en las tuberas.





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Figura 4. Esquema de uniones piezmetro-tubera.

Testigos: En el segmento final de cada tubera fueron adaptados recortes de las

mismas para poder estudiar el comportamiento de las biopelculas interiormente. Se

utilizan unos dispositivos denominados testigos los cuales son secciones de tuberas

que son removibles, pero que durante la operacin del sistema, tienen un contacto

directo con el agua en su parte interna. Son sujetadas a travs de abrazaderas para

que el flujo del agua simule una tubera completamente compacta, sin divisiones.

Existen dos tipos de testigos, los de borde y los de centro. Los primeros son

aquellos que se aprisionan de manera individual alrededor de todo el cuerpo

superior de la tubera y se ubican en los extremos de la misma. Mientras que en los

de centro, se utilizan dos placas, una en cada cara lateral de la tubera y se ubican

longitudinalmente espaciados por una distancia establecida. As, al dejar correr el

flujo de agua en el tiempo, con la cloracin adecuada, y una cierta cantidad de

carbono orgnico disuelto biodegradable, las pelculas bacterianas se desarrollan en

cada uno de los testigos. En el presente modelo, se cuenta con 24 testigos de centro

y un nico testigo de borde para cada tubera. Las fotografas siguientes muestran la

apariencia fsica de los testigos externa e internamente.





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IAMB 201210 20

Tablero Piezomtrico: En el extremo contrario a la entrada a la tubera, los

piezmetros son ajustados a un tablero en el cual se obtiene una lectura de la presin

Fotografa 6. Disposicin externa de los testigos en las tres tuberas.

Fotografa 7. Aspecto interno de los testigos.





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del agua en ese punto a travs del flujo del agua en las mangueras (Navarrete

Rodrguez, 2012).

Fotografa 8. Tablero Piezomtrico (Navarrete Rodrguez, 2012).

Sensor diferencial de presin: A partir de este dispositivo se puede medir la

diferencia de presin en los dos puntos llevando las mangueras hasta las entradas

dispuestas en el sensor. Su estimacin representa las prdidas de energa que se da

entre los dos lugares de atencin. El equipo utilizado es un transmisor de presin

diferencial marca Instruelectronics. La unidad en la que presenta los valores es

milibares y tiene un rango de medicin de 0.75 15 mBar.

Fotografa 9. Sensor diferencial de presin.





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5.2. Operacin del modelo

La recirculacin del agua en el montaje tiene dos principales factores que influencian el

movimiento del agua a travs de los distintos elementos del sistema. La primera es una

motobomba ubicada contiguamente a la piscina de almacenamiento, de la cual obtiene el

agua que posteriormente es bombeada al tanque elevado en donde el ciclo vuelve a iniciar.

El segundo elemento son las vlvulas tipo cortina de 4 pulgadas por las cuales es posible la

regulacin del caudal en cada una de las tuberas.

El proceso de crecimiento de las biopelculas es influenciado por la velocidad a la que el

agua fluya normalmente dentro de las tuberas (Trujillo, 2011). Con el fin de mantener las

mismas condiciones en las tres tuberas, se establece una velocidad de recirculacin

aproximada de 1 m/s, el cual es un valor normal en redes de distribucin de agua potable y

garantiza un flujo turbulento. Adems se evita utilizar operar a altas velocidades y as evitar

desprendimientos de la biopelcula en las paredes de las tuberas (Navarrete Rodrguez,

2012). Por otra parte se establece que cuando se realicen pruebas hidrulicas slo est en

operacin la tubera del ensayo pues el movimiento del agua en el sistema puede afectar la

medicin, la cual, al ser un fragmento relativamente corto de tubera, es considerablemente

sensible.

Por otra parte, en la estructura de almacenamiento es en donde se le realiza el control de la

calidad del agua en el sistema. En sitios en donde se genera gran turbulencia se aade el

Fotografa 10. Motobomba. Fotografa 11. Vlvulas de 4 pulgadas tipo cortina.





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hipoclorito de calcio disuelto en agua para que se mezcle con todo el volumen del sistema,

y as mantener la concentracin de cloro dentro de los niveles permisibles. En este mismo

lugar, se alimenta al sistema con pastos como fuente de carbono orgnico disuelto

biodegradable que es utilizado como nutriente por los microorganismos.





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6. Procedimiento Experimental

6.1. Calibracin de Vertederos

En el montaje se cuenta con tres tuberas ya descritas previamente, cada una con un

vertedero individual en el que se pueden realizar mediciones limnimtricas. El objetivo

final de estas estructuras es determinar el caudal que fluye por una determinada tubera y

para poder conseguir esto, es necesario llevar a cabo un proceso de calibracin que permita

entender la correlacin entre la altura medida por el limnmetro y la medicin del caudal

con un equipo alternativo (caudalmetro).

Este comportamiento tiene una tendencia potencial y puede ser representado de la siguiente

forma numricamente (Navarrete Rodrguez, 2012):

Ecuacin 21. Relacin potencial del caudal en vertederos triangulares.

En este caso con las unidades asociadas adecuadas:

Q: caudal (L/s)

H: altura limnimtrica (cm)

C y n: coeficientes nicos a cada sistema determinados en la calibracin

Anteriormente fue mencionado que para las tuberas de PVC y acero galvanizado, la

calibracin fue realizada por Carolina Navarrete. A continuacin se muestran los resultados

obtenidos a partir de las mediciones presentadas en el Anexo 1.





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Grfica 6. Curva de calibracin vertedero PVC (Navarrete Rodrguez, 2012).

Grfica 7. Curva de calibracin vertedero Acero Galvanizado (Navarrete Rodrguez, 2012).

Posteriormente se realiz la instalacin de la tercera tubera de un material diferente a las

anteriores: polietileno, del que fue necesario realizar la cuerva de calibracin para el

vertedero. Fue utilizado un caudalmetro no intrusivo el cual arroja un resultado del caudal

directamente. La forma de utilizacin del aparato se muestra en las siguientes imgenes en

donde se identifican los diferentes componentes del equipo:

y = 0.0127x2.3211 R = 0.9861

4

6

8

10

12

14

16

12 14 16 18 20 22

Cau

dal

(L/

s)

H (cm)

Calibracin vertedero PVC

Datos Experimentales

Potencial (Datos Experimentales)

y = 0.015x2.2335 R = 0.9629

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

15 16 17 18 19 20

Cau

dal

(L/

s)

H (cm)

Calibracin vertedero Acero Galvanizado







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Teniendo el mecanismo adaptado a la tubera de polietileno, se realizaron las mediciones de

caudal y altura complementarias. El resultado de la calibracin se muestra a continuacin, y

las mediciones en el final del Anexo 1:

Grfica 8. Curva de calibracin vertedero Polietileno.

y = 0.0139x2.3315 R = 0.999

0

2

4

6

8

10

12

14

5 10 15 20

Q (

L/s)

H (cm)

Calibracin vertedero Polietileno



Fotografa 13. Mtodo de instalacin a la tubera. Fotografa 12. Caudalmetro.





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A partir de las Grficas 6, 7 y 8 se observa la calibracin del vertedero de cada una de las

tres tuberas en donde se pueden obtener los coeficientes de la Ecuacin 21 por medio de la

regresin potencial en las grficas. Todas las regresiones presentan valores del coeficiente

de determinacin (R2) muy cercanos a uno, estableciendo una buena calibracin. Los

resultados finales de la calibracin se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 5. Resultados calibracin de los vertederos y caractersticas de operacin.

Tubera C n R2 Rango de Caudal (L/s) Rango de Velocidad (m/s)

PVC 0.0127 2.3211 0.9861 5.6 - 14.8 0.69 - 1.83

Acero Galvanizado 0.015 2.2335 0.9629 6.5 - 12.5 0.80 - 1.54

Polietileno 0.0139 2.3315 0.999 1.3 - 12.2 0.16 - 1.50

Siguiendo la tabla anterior las ecuaciones para calcular el caudal de cada tubera quedan de

la siguiente forma:

Tabla 6. Ecuaciones para calcular el caudal.

Tubera Ecuacin Ho (cm) PVC

16.89

Acero Galvanizado 16.92

Polietileno 17.29

6.2. Recirculacin, volumen de agua, cloracin, temperatura y alimentacin del

sistema

Con el fin de determinar el volumen total de agua que se encuentra en el sistema, se

desarroll un clculo del volumen contenido individualmente en los componentes

obedeciendo la geometra de cada uno de ellos. Las dimensiones de los mdulos del

sistema se presentan en el Anexo 2.

Tabla 7. Clculo del volumen total de agua en el montaje.

Elemento Volumen (m3)

Tanque elevado 1.58

Piscina de almacenamiento 4.79

Vertederos 1.98

Tuberas 0.12

Total = 8.47

Universidad de

Proyecto de Grado Ing. Civil Óscar Roberto Díaz

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