LINEA DE CONDUCCIÓN

MSc. Ingº GASPAR MENDEZ CRUZ

25 Enero 2012

LINEA DE CONDUCCIÓN

1. INTRODUCCION

Línea de conducción es una estructura que transporta el agua

desde la captación hasta la planta de tratamiento.

La mecánica de los fluidos describe el comportamiento del agua,

en sus diversas condiciones estáticas y dinámicas. Condiciones

inherentes tales como: Caudal de diseño, velocidades

permisibles, presión, clase y calidad de tubería.

En el diseño de una línea de conducción, se hace un análisis de

cada uno de sus tramos, siguiendo criterios de orden lógico y

razonable, para llegar a resultados que sean satisfactorios.

2. OBJETIVOS:

• Verificar que las presiones y los diámetros cumplan con los

valores mínimos, de tal manera que no dañen las estructuras.

• Determinar el diámetro económico de la línea de conducción.

• Diseñar la línea de conducción por gravedad y bombeo.

3. REVISION DE LITERATURA:

Existen 2 maneras de transportar el agua: Gravedad y Bombeo

I.- Conducción por Gravedad

La conducción por gravedad puede realizarse de dos maneras:

Por canales.

Por conductos forzados (tuberías).

Nos ocuparemos de la conducción del agua por conductos

forzados, que tiene las siguientes características esenciales:

• Evitan la contaminación.

• Soluciona problemas de irregularidades en la topografía.

• Genera pérdidas de carga.

a) Carga disponible: Viene representada por la diferencia de

captación y el reservorio.

b) Caudal de diseño: Es el correspondiente al gasto máximo

diario, el que se estima, considerando el caudal medio de la

población, para el periodo de diseño seleccionado, afectado

del K1

c) Clase de Tubería: Estará definida por la máxima presión que

ocurra en la línea representada por la carga estática:

CLASE PRESIÓN MÁXIMA

DE PRUEBA (m).

PRESIÓN MÁXIMA

DE TRABAJO (m).

5 75 50

7.5 100 75

10 150 100

15 200 150

CONSIDERACIONES GENERALES:

d) Diámetros: Este diámetro seleccionado deberá ser capaz de

conducir el gasto de diseño.

e) Estructuras Complementarias:

Rejilla. Canastilla de entrada en el conducto, evita la entrada de

piedras, gravas, ramas, etc.

Válvulas de aire o ventosas. Válvulas automáticas, ubicadas en partes

altas de la conducción, eliminan burbujas de aire en la tubería.

Válvulas de purga. Colocadas en partes bajas de la conducción, su

función es evacuar los sedimentos acumulados en esos puntos,

utilizando la misma fuerza dinámica del flujo. Son del tipo compuerta.

Válvula reductora de presión. Sirve para reducir la presión, son

automáticas y graduables.

Cámara rompe presión (CRP). Es un dispositivo pequeño en contacto

con la presión atmosférica y permite bajar la presión hasta cero.

La CRP tiene dimensiones pequeñas, pudiendo aproximadamente tener

0.80 m x 0.80 x 1 m, y debe ser una estructura la más segura, respecto

a posibilidad de contaminación.

f) Línea de gradiente hidráulica.

La línea de gradiente hidráulica indica la presión de agua a lo largo

de la tubería bajo condiciones de operación.

g) Pérdida de carga.

La pérdida de carga es el gasto de energía necesario para vencer las

resistencias que se oponen al movimiento del fluido de un punto a

otro en una sección de la tubería .

Las pérdida de carga pueden ser lineales o de fricción (originadas por

el rozamiento) y singulares o locales (cambio de movimientos y

velocidades).

Pérdidas de Carga Unitaria: Fórmula de Hazen y Williams.

Pérdidas de Carga por Tramo: es necesario conocer los valores de

carga disponible, el gasto de diseño y la longitud del tramo de la

tubería. Con el uso de nomogramas o la aplicación de formulas,

se determina el diámetro de la tubería.

Combinación de tuberías. El método para diseñar la línea de

conducción mediante la combinación de tuberías tiene ventajas de:

- Manipular las pérdidas de cargas.

- Conseguir presiones dentro de los rangos admisibles.

- Disminuir considerablemente los costos del proyecto.

- Al emplearse tuberías de menor diámetro evita un mayor número decámaras rompe-presión.

4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO

En lo posible se tratará que la línea de conducción sea en longitud la

menor posible, por cuestiones de orden económico y racional.

El terreno por donde atraviesa la tubería deberá ofrecer las garantías

necesarias en cuanto a su estabilidad.

La profundidad a colocar la tubería dentro del terreno será de 0.80

m. sobre la clave.

Colocar los accesorios necesarios para la seguridad y protección de

la tubería:

Colocar una rejilla, en el conducto forzado.

Válvulas de aire, funciona al cargarse el agua dando una rápida salida

al aire y permiten su ingreso en el caso de des-agotamiento. En

general, son automáticas.

Válvulas ventosas; ubicadas en las partes altas de la línea de

conducción, para evacuar el aire en la tubería.

Continua……..

Válvulas de purga; colocadas en las partes más bajas de la línea de

conducción, para evacuar los sedimentos acumulados y utilizando la

misma fuerza dinámica.

Válvulas reductoras de presión, cumplen la función de reducir la presión

en el conducto forzado.

Cámara rompe presión (CRP), dispositivo que permite bajar la presión

hasta cero (0) y se usa cuando la presión estática y/o dinámica, supera

el esfuerzo de trabajo del material del conducto.

La tubería a usarse podría ser de uno o de una combinación de

materiales (rehabilitación), lo mismo puede suceder con los diámetros

comerciales. En el presente trabajo se utilizará tubería PVC.

Como premisa se tiene que la tubería tendrá como diámetro mínimo

de 2”. Se tomara en cuenta el valor representativo o no de las

pérdidas de energía local, que es función de la longitud y el diámetro.

Continuación….

5. CRITERIOS PARA EL DISEÑO

5.1. CONDUCTO CERRADO POR GRAVEDAD

A. Caudal:

Se diseña con el caudal máximo diario (Qmaxd)

B. Velocidad:

Se debe tener en cuenta el rango de velocidades:

0.6 – 3 m/s. Concreto

0.6 – 5 m/s. PVC, FºGº, Acero, Polietileno, etc.

Continua….

C. Material:

Puede utilizarse PVC, FºGº, Acero, Polietileno, Asbesto

Cemento.

D. Diámetro:

Los diámetros máximos y mínimos, se determinan teniendo

en cuenta lo siguiente:

0.6 < V < 5 m/sg (PVC)

Vmin = 0.6 m/sg, no produce sedimentación.

Vmax = 5 m/sg, no produce erosión.

Nominal (calculado o teórico)

Comercial: 1”, 11/2”, 2”, 3”, 4”, 6”... 22” .

Continuación…

E. Clase:

La clase de la tubería se determina de acuerdo a las presiones

máximas y mínimas originadas por el golpe de Ariete, que

vendrían a ser: 5, 7.5, 10, 15 Kg/cm2

Para determinar cuantos m.c.a. puede soportar la tubería se

multiplica por 10 a la clase, por ejemplo:

5 Kg/cm2 x 10 50 mca

7.5 Kg/cm2 x 10 75 mca

F. Relación L/D:

Nos determina si la tubería es larga o corta

L/D > 2000 obviamos PC locales

L/D < 2000 consideramos PC locales.

Continuación…

G. Pérdidas de carga por fricción: Hazen – Willams

Las perdidas de carga se calcula con la siguiente fórmula:

hf = 10,7*L*Q1,85 La gradiente es: sf = 10,7*Q1,85

(C1,85 * D4,87) (C1,85 * D4,87)

El valor C (Coef. De Hazen):

H. Presión:

Se debe tener las siguientes consideraciones

> 1 mca, sobre la tubería, para evitar el fenómeno CAVITACIÓN

> 5 mca, llegada al reservorio.

MATERIAL C

FºFº 100

Concreto 110

Acero 120

PVC, HDPE,AºCº 140 (150)

.

5.2. CONDUCCION POR BOMBEO (IMPULSION)

A. Caudal:

Qdiseño = Qm * 24 . ; Se utiliza K1 en un bombeo de 24 horas / día.

Nº H.B.

B. Velocidad:

Se debe tener en cuenta el rango de velocidades: 0.6 – 2 m/seg.

C. Diámetro:

Los diámetros máximos y mínimos, se determinan en función delrango de velocidades y la ecuación de la Continuidad.

El diámetro de la tubería de impulsión, puede plantearse en

aplicación de la fórmula de MARQUARD: D= K (λ)1/4 (Q) 1/2 ; K = 0.9 -

1.4 ; λ = N H.B./ 24 ; BRESSE, para 24 horas.

La tubería de succión, tiene por lo general un diámetro superior alde impulsión, y la posición de ella respecto del fondo del cárcamo debombeo y al tirante de agua, debe ser, 0.10 m y mayor a laposibilidad de ingreso de aire a dicha tubería, respectivamente.

D. Pérdidas de Carga:

La pérdida por fricción debe calcularse por la ecuación general(DARCY).

E. NPSH:

NPSHD > NPSHR ; El NPSHR es dado por el fabricante ( 2.5 – 4.0 m)

Aplicando Bernulli entre 1 y 2 , despejando resulta:

NPSHD = PAL – (PVAPOR + V22 + hS + PC1-2) (Presión negativa)

2g

Es una maquina transformadora de energía, recibe energía mecánica que

puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc. y la convierte en energía

de posición, por eso se determina maquina movida, puede ocurrir lo

inverso, la maquina recibe energía del fluido y la transforma en energía

mecánica a estas se les denomina maquina motora (turbina).

Capacidad. Es el volumen del liquido bombeado en una unidad de tiempo y

se expresa en litros / seg. El tiempo de trabajo de una bomba, diariamente,

está referida en su catalogo, por lo general, es de hasta 18 horas.

Potencia. Es el trabajo que se requiere efectuar, en la unidad de tiempo

para elevar una cantidad de agua, a una determinada altura.

P = P.e. * Q * Ht efectiva / ( 75 * n ) …HP ; n = 0.50 - 0.80 (eficiencia).

G. Golpe de ariete

Cuando la velocidad del agua se anula súbitamente, por inversión de la

corriente en las bombas, o en las tubería, por el cierre de una válvula, la

energía dinámica del tubo, se convierte en energía de presión y se produce

un choque en el tubo. Comenzando con el punto de cierre, la onda de

sobrepresión retrocede a través de la tubería con velocidad e intensidad

constante, hasta que alcance a llegar al depósito, inmediatamente después,

se produce una inversión de la sobrepresión.

F. Bomba

Por esta causa se origina un reflejo dentro de la tubería que de nuevoproduce un choque o martilleo, y el ciclo de presiones alta, normal ysubnormal, se repite una y otra vez, aunque con menores oscilaciones,hasta que finalmente se amortigua por fricción. El fenómeno se nota por elruido del choque y la presión puede llegar a ser tan alta que reviente latubería.

Celeridad (a) = 9900 / [ 48.3 + K (D/e)] 1/2 ; K = 10 6 ( kg/cm2 ) / E material.

Tiempo (T), según E. Mendiluce:

T = (1 + K*L*V) / ( g * H efect.) ; Donde: L y V, Tubería de impulsión.

H efect, Altura de impulsiónK, Coeficiente:

K = 2.0 ..L< 500 m

K = 1.5 500 < L< 1500 m

K = 1.0 L > 1500 m.

Longitud de tránsito de impulsión (Lt) = a * T / 2.

Si L t > L i …Impulsión Larga. MICHAUD

Si L t < L i …Impulsion Corta ALLIEVI

MICHAUD…..s/p = 2 * L * V / (g * T)

ALLIEVI……..s/p = a * V / g.

LA PRESIÓN TOTAL, ESTA DEFINIDA POR LA SUMA DE LA PRESIÓN ESTÁTICA MAS LA SOBRE PRESIÓN.

SISTEMA DE IMPULSION

PARA EL RESERVORIO R3

EMPALME EXCENTRICA EN LA SUCCION DE LA BOMBA

6. PROCEDIMIENTO PARA EL SISTEMA DE CONDUCION:

Para diseñar una línea de conducción, primeramente, se la dibujaen planta, teniendo en cuenta tramos rectos y acomodándose a latopografía del terreno, buscando sea la menor longitud, peroteniendo en cuenta la estabilidad del terreno.

Luego se realiza el dibujo en perfil, de la misma, a las escalasadecuadas.

A continuación se asume la velocidad (mínima y máxima) con lascuales se determinan los diámetros de la tubería, permisibles.

Se escoge el diámetro adecuado (dentro del rango calculado) yteniendo en cuenta la sección de la misma, se determina elgradiente hidráulico, este afectado con la longitud de la tubería,determinamos la línea piezométrica, con esta comprobamos si eldiámetro seleccionado, cumpla o no, con las condiciones de diseño.

Para el caso de la conducción por bombeo, se calcula, el valor de lasobre presión por efecto del fenómeno del golpe de ariete, el cualnos sirve para determinar la clase y el espesor de la tubería.

INSTALACION DE CINTA EN UNA ZANJA

PERFIL LONGITUDINAL

LINEA PIEZOMETRICA Y TENDIDO DE TUBERÍA

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

120.00

130.00

140.00

150.00

160.00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00 1000.00 1100.00 1200.00 1300.00 1400.00 1500.00

distancia acumulada en m

co

tas

en

m.s

.n.m

.

Terreno

Tubería

Piezométrica

cc

EJERCICIO TE-3: