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5/26/2018 DISEO DE SIFON INVERTIDO.docx

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DISEO DE SIFON INVERTIDO

MECANICA DE FLUIDOS II 1

I. INTRODUCCIN:

El diseo de algunas obras

hidrulicas es fundamental en el

desarrollo de una poblacin es un

aspecto importe al cual se debe

dar solucin por ello la ingeniera

se ha caracterizado por que a lo

largo del tiempo ha solucionado

los distintos problemas que la

sociedad demanda, el aumento de

poblacin y la escasez de lluvias

traen consigo en consecuencia la

ausencia de agua en la localidad

por lo que se opta construir

estructuras hidrulicas tales

reservorios, sifones con el fin de

solucionar este problema.

Para que una estructura hidrulica

funcione es indispensable que

cumpla con ciertos requisitos, los sifones no son ajenos a estos conceptos es

fundamental tener una cierta diferencia topogrfica de niveles as como un caudal

considerable, presin, temperatura, etc.

El presente trabajo se trabajara con un sifn invertido el cual se encuentra ubicado en

el distrito de Jess departamento de Cajamarca con el fin de analizarlo y debatir sus

virtudes y desventajas que este posee. El diseo realizado se fundamenta en loscriterios de diseo de la autoridad nacional del agua.


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II. RESUMEN

En el siguiente informe hablamos del sifn situado en el distrito de Jess el cual es un

distrito peruano y es uno de los 12 distritos que forman la provincia de Cajamarca

ubicada en el departamento de Cajamarca, Per.

Durante la prctica de campo se pudo reconocer una de las clases de sifones existentes

en la localidad ya antes mencionada, se reconoci el sistema de funcionamiento, partesdel sifn, los materiales empleados y las deficiencias que este presenta.

Los materiales empleados en el sifn el concreto simple normalizado empleado en

tubos de 20 pulg. De dimetro y con un espesor de 2 pulg. , posee en los extremos dos

cajas de concreto armado las cuales sirven de entrada de agua y salida de agua, y

estn compuestos en su estructura de rejillas para evitar as el paso de material slido,

posee tambin elementos de cierre para el control del caudal de agua.

En adelante se plantea tambin alternativas de solucin ante los problemas

constatados in situ como lo es la falta de limpieza, la no existencia de una vlvula de

purga y quizs un replanteo del material empleado.


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III. OBJETIVOS:

Disear hidrulicamente un sifn invertido en la zona de jesus-chico.

Conocer el fundamento terico para el diseo de un sifn invertido.

Calcular hidrulicamente el sifn invertido ubicado en el distrito de

Jess.

Determinar los parmetros de diseo necesarios para un buenfuncionamiento de este sistema de transporte de masas de agua.

IV. IV.JUSTIFICACION

Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente decanales por debajo de carreteras y vas de tren debajo de ros y quebradas,

etc.

Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzarlas con

acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro

muchas veces conviene proyectar un sifn invertido.

Los estudios econmicos y consideraciones topogrficas, geolgicas e

hidrolgicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

V. ACCESIBILIDAD

Para llegar al lugar de estudio se tomara un vehculo como medio

transporte, por medio de la carretera Cajamarca-Jess con un tiempo

aproximado de 45 min, una vez situado en la plaza de armas se caminara

aproximadamente 2.5 km hacia la zona de estudio.

VI. UBICACIN

El lugar de estudio se encuentra a 2km aproximadamente al sureste del

distrito de Jess provincia de Cajamarca departamento de Cajamarca.


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VII. ALCANCES

GPS

WINCHA

LIBRETA DE APUNTES

LAPIZ

CAMARA FOTOGRAFICA


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VIII. MARCO TERICO:

TEORIA DEL SIFON INVERTIDO

Para cruzar una depresin, se debe recurrir a una estructura de cruce en cada caso seescoge la solucin ms conveniente para tener un funcionamiento hidrulico correcto,

la menor prdida de carga posible y la mayor economa factible. Los cuales pueden ser:

Puente canal

Sifn invertido

Alcantarilla

Perfil de un sifn invertido

ELECCIN DEL TIPO DE ESTRUCTURA

Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstculo, se puedeutilizar una alcantarilla

Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante delobstculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o unsifn invertido o la combinacin de ambos.

El puente canal se utilizar cuando la diferencia de niveles entre la ras ante delcanal y la rasante de la quebrada o ro, permita un espacio libre, suficiente paralograr el paso del agua.

El sifn invertido se utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es mayor

que la ras ante del obstculo.


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CONCEPTO DE SIFN INVERTIDO

Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan para

conducir el agua en el cruce de un canal con una depresin topogrfica o quebrada,tambin para pasar por debajo de un camino, una va de ferrocarril, un dren o inclusootro canal.

CRITERIOS DE DISEO

Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos decobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencia de la entrada ysalida.

En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiereun mnimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales driego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifn cruza un canal revestido se considerasuficiente 0.30 m de cobertura.

En el caso particular del cruce con una quebrada o ro de rgimen caudaloso, deberhacerse un estudio de profundidad de socavacin para definir la profundidad en laque deber cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea

afectada.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnimadel tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transicin de concreto a laentrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales en sifones con mayor oigual a 36 y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.

Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrenciafortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% o0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a

partir de la estructura.

Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortoscon transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar unavelocidad de 1 m3

Las prdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo Cubierta

Partida, se pueden calcular rpidamente con los valores 0.4 y 0.65 hvrespectivamente o con lo manifestando en los tems 2.4 y 2.5./s, en sifones contransiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5

m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.


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A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas seincrementan en 10%.

En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la parte superior de la

abertura del sifn, est ligeramente debajo de la superficie normal del agua, estaprofundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseo se toma1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como mnimo o tambin 3.

En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.

En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir undrenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.

En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el

sifn opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de friccin menor que elsumido en el diseo, por esta razn se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculalas prdidas de energa.

Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin enlugares donde el aire podra acumularse.

Con respecto a las prdidas de carga totales, se recomienda la condicin de queestas sean iguales o menores a 0.30 m Cuando el sifn cruza debajo de unaquebrada, es necesario conocer el gasto mximo de la creciente.

Se debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descargainmediatamente aguas arriba de la transicin de ingreso.

Se recomienda incluir una tubera de aeracin despus de la transicin de ingreso

Se debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe presin en el desarrollo de laconduccin a fin de evitar el golpe de ariete, que podra hacer colapsar la tubera(solo para grandes caudales).

Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseohidrulico

Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la entraday salida del sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.


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DISEO HIDRULICO DEL SIFN INVERTIDO

El desnivel entre las gradientes de energa en la entrada y la salida algunas veces sepredetermina y en otras ser igual a la suma de todas lasprdidas producidas en elcontorno. Las prdidas de carga importantes son:

a. En la transicin de entrada y salidab. Perdida rejilla de ingreso y salidac. Por friccin en transiciones

d. Por friccin en el sifne. En los codos o cambios de direccin

f. Por cambio de seccin en la salida.

La simbologa a emplearse


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a. Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:

Las prdidas de carga en las transiciones son:

Donde : kt : 0.1 en la transicin de entradakt : 0.2 en la transicin de salida

b. Perdidas de carga en las rejillas:

Se calcula segn Kirschmer:

De donde:Kr: coeficiente que depende de la forma de la reja

: ngulo que hace la reja con la horizontals : espesor de la rejab : luz entre rejas

Para rejillas completamente sumergidas se emplea la formula de Creager:

Siendo:


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Dnde:ag = rea bruta de la estructura de rejillasan = rea neta de paso entre rejillasV = velocidad neta a travs de rejillas.

c. Perdida de carga en la entrada y salida:

De donde:h3 = prdida de carga por entrada al conducto

v = Velocidad del agua en el barrilKe = Coeficiente que depende de la forma de entrada

d. Perdida de carga de friccin en el sifn

R= radio hidrulico

L = longitud total del conducto


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v = velocidad del agua en el conducto

S = pendiente de la lnea de energa

e. Perdida de carga debida a codos y cambios de direccin:

VALORES DE Ke

Compuerta en pared delgada - contraccin suprimida en ladosy en el fondo

1,0

entradas con arista en ngulo recto 0,5

Para entrada con arista ligeramente redondeada 0,23

Para entradas con arista completamente redondeada R/D = 0,15 0,1

para entrada abocinada circular 0,004

IX. DESARROLLO DE LA PRACTICA:

IV.1 PROCEDIMIENTO:

a) Calculo d el grad iente hidrulic o:

Para calcular el gradiente hidrulico procedimos a reconocer el terreno para tomarlas cotas tanto de la transicin inicio como del final:

H = E1 E2 = Z1 Z2 = 2651 2647 = 4.00 m

>


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b) Calc u lo d el dimetr o de la tub era.

Teniendo en cuenta que:

Q=1.00 m3/seg ---- ya que es un sifn

peq ueo.

V= 1.6m/ seg

Ya que es un sifn pequeo.

b.2) Calcu lo del rea Hid rul ica:

b.3) Calcu lo del Permetro m oj ado :

P=D* = 0.89* = 2.80 m

b.4) Calcul o del Rad io Hid rul ico :

b.5) La veloc idad d entro d e la tuberia de ser (Ecuacio n de co ntin uid ad):


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b.6) Nmero de Reynold s:

b.7) Velocidad en el canal rectangu lar

Donde:

Velocidad en el canal trapezoidal rea mojada del canal

La altura mnima de ahogamiento a la entrada


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Por lo tanto: Hmin


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Como el rea hidrulica (rea bruta) de la tubera es de 0.70 m2 entonces el rea neta

ser:

Entonces:

( ) ( )

Donde K es el coeficiente de las perdidas por rejilla.

Vn = velocidad a travs del rea neta de la rejilla dentro del rea hidrulica

Finalmente las prdidas por entrada y por salida sern:

Perdidas por friccin en el conducto.

Utilizando la frmula de Hazen Williams para una longitud de tubera de 57.13 m y

teniendo en cuenta la siguiente tabla, resulta:

= 0.106

R= radio hidrulico

C= 120 (coeficiente de rugosidad relativa tomando las tablas de tuberas de concreto

usadas para valores de Hazen Williams).


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C.2.3- Prdid as de c arga por c amb io c od os o cambio de d ireccin

Una frmula empleada es:

Dnde:

= ngulo de deflexin

Kc = coeficiente para codos circulares = 0,1

1 26.0758 0.5383

2 49.6324 0.7426

Suma 1.2809

Hcd = 0.0128

0.0076+0.0151+0.032+0.106+0.0128=0.1735


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DISEO DE UN DESARENADOR

Desarenador de baja velocidad V< 1 m/seg

1.0 DIAMETRO DE LAS PARTICULAS A SEDIMENTAR:

Utilizamos la frmula de Camp:

V= 0.6102 m/seg

d= 0.2 mm 24 in

Q= 1.64 m^3/seg

d= Diametro

a=Constante en funcion deldiametro

a= 44 y= 0.4 m

Luego:

V= 19.677 0.2 m/seg -

V= a*


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1.2 CALCULO DE VELOCIDAD DE CAIDA W

Para este aspecto existen varias frmulas empricas, tablas

y nomogramas, entre las cuales consideramos:

1.3.1 Arkhangelski

Tabla en la cual determinamos w(cm/s) en funcin del dimetro de partculas d (mm).Para un dimetro de d = 0.2 mm.

El w ser (segn la tabla mostrada):

w = 2.16 cm/s = 0.0216 m/s

Velocidades de sedimentacin w calculado por Arkhangelski (1935) en funcin deldimetro de partculas


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1.3.2 Nomograma Stokes y Sellerio

Permite calcular w(cm/s) en funcin del dimetro d (mm)

Segn Stokes: w= 4 cm/s = 0.04 m/s aprox

Segn Sellerio: w= 2.5 cm/s = 0.025 m/s aprox

Figura 3

Experiencia de Sellerio

1.3.3 Owens

Propone la frmula:

Donde:

s = 1.65 gr./cm3

W= K *[d*( 1)]^0.5


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k = Constante que vara de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos se tomar un

valor ubicado entre 9.35 y 1.28 k = 4.8

Luego:

w = 4.8*[0.0002*(1.65 1)] ^0.5

w = 0.0547 m/s.

1.3.4 ScottiFoglieni

Calculamos w a partir de la frmula:

w=0.06 m/seg

Se tomar el promedio de los w obtenidos y obtendremos w = 3.934 cm/s = 0.03934 m/s

1.4 Clculo de las dimensiones del tanque

w=3.8*d 0.5 + 8.3*d


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Calculamos:

1.4.1 Ancho del desarenador

b= 4 m

h= 2.05 m

b= 4 m ok

1.4.2 LONGITUD DEL DESARENADOR

L= 10.43 m

L= 11 m

1.4.3 TIEMPO DE SEDIMENTACION

t= 52.1628 seg

t=53 seg

1.4.4 VOLUMEN DE AGUA CONDUCIDO EN ESE TIEMPO

V= 86.92 m^3

Q = (b*h)*V

b =

L =

t =

V = Q*t


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1.4.5 VERIFICANDO DE LA CAPACIDAD DEL TANQUE

V= 90.2 m^3

Se verifica que Vtanque> Vagua

Para facilidad del lavado al fondo del desarenador se le dar una pendiente del 2%.Esta inclinacin comienza al finalizar la transicin.

1.5 CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION

Para el diseo de la transicin se puede utilizar la frmula de Hind:

Lt = (T1 T2)/ [2*tg (22.5)]

Donde:

L = Longitud de la transicin

T1 = Espejo de agua del desarenador = b = 4 m

T2 = Espejo de agua en el canal = 0.73 m(*) El canal que antecede a la transicin posee las siguientes caractersticas:

Seccin: Rectangular

Base del canal: bC = 0.73 mTirante: YC = 0.40

Velocidad: v = 0.61 m/s

Froude: FC =0.31 (Flujo sub - crtico)

Luego:

Lt 3.947 m

Lt 3.950 m

V = b*h*L


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1.6 CALCULO DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO AL FINAL DEL TANQUE(Lv)

Aplicamos la siguiente frmula:

Lv = Q/ (C*h^1.5)

Donde:

V mx. = 1 m/s

H mx. = 0.25 m

Q = 1.64 m3/s

C = 2 (perfil tipo Creager)

Luego:

Lv = 6.56 m

1.7. Clculo del ngulo central y el radio R con que se traza la longitud del vertedero.

1.7.1 Clculo de

Si: 2 --- 360

LV ---

Entonces: R = (180*LV)/ (*) (1)

Adems: Cos = (R b)/ R

R = b/ (1 - Cos ) (2)

De (1) y (2):

(180*Lv)/ (*b) = / (1 Cos )

Reemplazando datos:

(180*6.56)/ (*4.0) = / (1 Cos ) = 41.41

1.7.2 Clculo de R


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En (2):

R = 4.0/ [1Cos (41.41)] R = 16.0 m

Esquema del tanque del desarenador

1.8 Clculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del vertedero(L1)

Tomando el tringulo OAB se tiene:

en = L1/R L1 = R*Sen

L1 = 16.0*Sen (41.41 )

L1= 10.58 m


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L 8.57 m

L 9 m

1.10 Clculo de la longitud total del tanque desarenador(Lt)

Donde:

LT = Longitud total

L = Longitud del tanque

Lt = Longitud de la transicin de entrada

L = Longitud promedio por efecto de la curvatura del vertedero

Luego:

LT 22.950 m

1.11 Clculos complementarios

1.9 Clculo de la longitud promedio (L)

L = (Lv+L1)/2

L= Lt+L+L


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1.11.1 Clculo de la cada del fondo

z = L*S

Donde:

z = Diferencia de cotas del fondo del desarenador

L = LT - Lt

S = Pendiente del fondo del desarenador (2%)

Luego:

z = (22.95 3.947)*2/100

z = 0.38006 m 0.40 m

1.11.2 Clculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado

H = h + z

H = 2.05 + 0.40 H = 2.45 m

1.11.3 Clculo de la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo

hC = H0.25

hC = 2.450.25

hC = 2.20 m

1.11.4 Clculo de las dimensiones de la compuerta de lavado

La compuerta funciona como un orificio siendo su ecuacin:

Q = Cd*AO*(2*g*h) ^0.5


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Donde:

Q = Caudal a descargar por el orificio

Cd = Coeficiente de descarga = 0.6AO = rea del orificio (rea de la compuerta)

h = Carga sobre el orificio

g = Aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2)

Luego:

1.64= 0.6*AO*(2*9.81*2.45) ^0.5

AO = 1.64/ [0.6*(2*9.81*2.45) ^0.5]

AO = 0.40 m2

l = 1.19^0.5 (compuerta de seccin cuadrada)

l = 0.63 m 0.70 m (longitud del lado)

1.11.5 Clculo de la velocidad de salida

= Q/AO

Donde:

= Velocidad de salida por la compuerta, debe ser de 3 a 5 m/s, para el concreto el lmite

erosivo es de 6 m/s

Q = Caudal descargado por la compuerta

AO = rea del orificio, en este caso igual a rea de compuerta

Luego:

= 1.64/ 0.40 = 4.1 m/s


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X. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN SIFON INVERTIDO

Los sifones invertidos son econmicos, fciles de disear y de construir y han

demostrado tener una confiable capacidad de conduccin.

Los costos de diseo, construccin y mantenimiento son factores que pueden

hacer que un sifn invertido sea ms factible que otra estructura.

Sin embargo la prdida de carga de un sifn invertido es mayor que en los otros

sistemas de cruce (acueductos, etc.)

El sifn invertido actual que hemos visitado actualmente no se encuentra

funcionando.

XI. APORTE

LIMITACIONES EN EL USO DE SIFONES:

En la literatura estudiada no se han encontrado referencias a este tipo de obra en la

forma en que si aparecen para los sifones invertidos, es decir sobre el comportamiento

de obras realizadas.

Como toda obra hidrulica, la decisin sobre utilizar una u otra solucin depende de la

necesidad de satisfacer, de las posibilidades materiales, tecnolgicas y financieras parasu realizacin, y cada situacin particular exige a la vez sus propias soluciones, las que

generalmente pueden ser seleccionadas entre distintas variantes. Aqu, si una posible

variante de solucin es la construccin de un sifn probablemente el ingeniero decida

otra distinta, pues segn el criterio de A Schoklitsh: los sifones. Sirven para salvar

pequeas tomas, pero su servicio es complicado, pues, por ejemplo, hay que extraer

continuamente los gases desprendidos del agua y acumulados en el vrtice del sifn.

Adems, la construccin es difcil, y por esto solamente en casos excepcionales debe

construirse un sifn de este tipoCriterios parecidos son frecuentes en las entidades

de proyectos hidrulicos y no parece que la poblacin de sifones sea muy numerosa,

sino prcticamente inexistente. Pero es muy probable que existan obras y sistemas

que resultarn ms econmicos utilizando un sifn. Desde luego, distinto del que

critica Schoklish.


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XII. ANEXOS


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XIII. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

Como est diseado con tubera de PVC, este debe ir necesariamente enterrado,para evitar que falle por efectos de la radiacin solar.

Las formulas y clculos obtenidos han sido proporcionados por los criterios dediseos de obras de la autoridad nacional del agua.

Para un diseo eficaz y reglamentario se debe seguir los pasos indicados en lasnormas de la autoridad nacional del agua.

Para el diseo de este tipo de sifones de debe tener en cuenta la presin de

vapor del agua a una temperatura critica


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XIV. BIBLIOGRAFIA

Arturo Rocha Felices, Hidrulica de tuberas y canales, primera edicin,

editorial Biblioteca nacional del Per, Per, ao 2007.

Alejandro Cceres Neira, Problemas de hidrulica 2, primera edicin, editorialciencias, Per, ao 2005.

Manual de diseos de obras hidrulicas para la formulacin de proyectoshidrulicos multisectoriales y afianzamiento hdrico

http://www.sisman.utm.edu.ec/libros/FACULTAD%20DE%20CIENCIAS%20MATEM%C3%81TICAS%20F%C3%8DSICAS%20Y%20QU%C3%8DMICAS/INGENIER%C

3%8DA%20CIVIL/08/OBRAS%20HIDRAULICAS%20II/manual-dise%C3%B1os-1.pdf

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