UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE SANTIAGO (UTESA)

Líneas de aducción y Estanques de almacenamiento

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.

LINEAS DE CONDUCCION

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 diseñoCvd es el coeficiente de variación diariaQm 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 COEFICIENTE DE RUGOSIDAD

PVC SCH40 140

PVC SDR26 140

GRP PN10 140

PRESIONES MÁXIMO EN LAS TUBERIAS

TIPO DE TUBERIA PRESION máximo

UDA

PVC SCH 40 180 MCA

PVC SCH 40 180 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 es el coeficiente correspondiente a Φ1

α2 es el coeficiente correspondiente a Φ2

X es la distancia correspondiente a Φ1

Q es el caudal de diseñoΔH es la diferencia de nivel entre dos puntosJ es la pérdida de carga en metrosL´ es la longitud afectada por un 5% para estimar pérdidas por 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

equipos de bombeo, operación y mantenimiento.

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.

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:

24Qb = Q dis ------- N

CRITERIOS DE DISEÑO PARA EL DISEÑO DE CONDUCCIONES POR BOMBEO

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:

24Qb = 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 heP = ------------ 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.

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.

Sobrepresión por Golpe de Ariete

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:

2 L tc = --------- Vw

donde:

L : Longitud de la tuberíaVw: 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:

Υ K e Ep = V0 ------ --------------

g E e + K d

donde:

p: presiónV0: Velocidad de circulación del agua, mpsΥ: Peso específico del agua, kg/m²g: Aceleración de la gravedad, m/seg²K: Módulo de elasticidad volumétrico del agua, Kg/ m²e: Espesor paredes del tubo, m.E: Módulo de elasticidad del material tubo, Kg/ m²d: 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:

g K e E Vw = ----- --------------- Υ E e + K d

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 = ----------------- K d 1 + --------- E e

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 tN = ---------

2LK: 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 Aspecto más importantes para el diseño de los estanques de diseño de los estanques de

almacenamiento:almacenamiento:

1.1. CapacidadCapacidad2.2. UbicaciónUbicación3.3. Tipos de estanques a utilizarTipos de estanques a utilizar

Capacidad de almacenamiento Capacidad de almacenamiento del estanquedel 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 Compensación de las variaciones horariashorarias

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 0-B El estanque se está llenando.

De B-C El estanque se está vaciando.

El tiempo de bombeo 24 horas.

Para diseño se puede Para diseño se puede considerar que el considerar que el

volumen de volumen de almacenamiento para almacenamiento para

compensar variaciones compensar variaciones de consumo representa de consumo representa deldel 25 al 28 por 100 % 25 al 28 por 100 %

del qmeddel qmed..

Ejemplo:Ejemplo:Para una población de 5,000 Para una población de 5,000

habitanteshabitantesQmed= (300*5000)/86400Qmed= (300*5000)/86400

Qmed= 17.36 lit/seg.Qmed= 17.36 lit/seg.V=(0.25*17.36*86400)/1000V=(0.25*17.36*86400)/1000

V=375 m3=99000 galsV=375 m3=99000 gals

Cuando se trata de estanque Cuando se trata de estanque que son suplido por líneas de que son suplido por líneas de bombeo, la capacidad podrá bombeo, la capacidad podrá determinarse en forma determinarse en forma similar, sólo que ella estará similar, sólo que ella estará determinada por el tiempo determinada por el tiempo de bombeo y por el período de bombeo y por el período de bombeo.de bombeo.

Esto significa que a mayor Esto significa que a mayor tiempo de bombeo, menor tiempo de bombeo, menor capacidad de estanque y capacidad de estanque y viceversa.viceversa.Evidentemente que al Evidentemente que al aumentar los períodos de aumentar los períodos de bombeo aumentan también bombeo aumentan también los costos de operación y los costos de operación y mantenimiento.mantenimiento.

El número de horas El número de horas recomendable que sea recomendable que sea menor de 16 horas de menor de 16 horas de bombeo.bombeo.N=16HRSN=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 Reserva para emergencia por incendiosincendios

1.1. En redes de distribución se En redes de distribución se asignaron gastos de incendios asignaron gastos de incendios de de 10,16 ó 36 lits/seg.10,16 ó 36 lits/seg.

2.2. Las normas generalmente Las normas generalmente asumen un tiempo de duración asumen un tiempo de duración de incendio entre de incendio entre 2 y 4 horas. 2 y 4 horas. Asumiendo 4 horas de Asumiendo 4 horas de duración.duración.

Ejemplo:Ejemplo:Para un gasto de 16 lits/segPara un gasto de 16 lits/seg

Vi= (16x4x3600)Vi= (16x4x3600)Vi= 230,400 lits.Vi= 230,400 lits.

Vi=230.40 m3Vi=230.40 m3

Provisión de reserva para cubrir Provisión de reserva para cubrir interrupciones por daños en la interrupciones por daños en la

aducción o en las bombas.aducción o en las bombas.

1.1. Ante la eventualidad de que Ante la eventualidad de que en la línea de aducción puedan en la línea de aducción puedan ocurrir daños que mantendrían ocurrir daños que mantendrían una situación de déficit en el una situación de déficit en el suministro del agua mientras suministro del agua mientras se hacen las reparaciones se hacen las reparaciones pertinentes, es aconsejable un pertinentes, es aconsejable un volumen adicional. volumen adicional.

2. Este volumen adicional debe 2. Este volumen adicional debe dar oportunidad a restablecer dar oportunidad a restablecer la conducción de agua hasta el la conducción de agua hasta el estanque. En tal caso puede estanque. En tal caso puede estimarse un perído de estimarse un perído de interrupción de interrupción de 4 horas de 4 horas de duración del gasto medio de duración del gasto medio de consumo para la consumo para la determinación de esa determinación de esa capacidad.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

http://images.google.ca/imgres?imgurl=http://farm4.static.flickr.com/3193/2486479579_1b9a04c1be.jpg%3Fv%3D0&imgrefurl=http://flickr.com/photos/47635157%40N00/2486479579/&usg=__IabGNf28zhlYuPDe259BCty5kMY=&h=375&w=500&sz=66&hl=en&start=15&tbnid=yJ12fbIkqmensM:&tbnh=98&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dtanques%2Belevados%26gbv%3D2%26hl%3Den%26safe%3Dstrict%26client%3Ddell-row%26channel%3Dca%26sa%3DG%26ad%3Dw5

*Medidor de caudal

*Control de niveles

*Acceso dentro del tanque

*Acceso al sitio donde se ubica el tanque

*Iluminación exterior.

ACCESORIOS.

DETALLES IMPORTANTES EN EL DISEÑO