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DISEO DE LINEAS DE CONDUCION E IMPULSION

I.- INTRODUCCION:El futuro del ingeniero Sanitario y Ambiental se encuentra enmarcado por la entrega al servicio de la comunidad; en busca de soluciones tcnicas y cientficas con el fin de planear, disear y construir proyectos que cuenten con las exigencias de calidad ptimas para satisfacer las necesidades de la sociedad; contribuyendo as al mejoramiento de la calidad de vida y que no afecte negativamente el desarrollo de los recursos naturales teniendo as un control del ambiente.II.- MARCO TEORICO:Para las lneas de impulsin se toma como base una serie de criterios y parmetros, partiendo de las condiciones a las que se encontrar sometida la tubera, como su entorno y el tipo de fluido que conducir.

Partiendo de datos bsicos como caudal, longitud y desnivel entre el punto de carga y de descarga, se parte en la eleccin de:a) Material de la tubera:

El material de la tubera es escogido por factores econmicos, as como de disponibilidad de accesorios, y caractersticas de resistencia, ante esfuerzos que se producirn en momento de su operacin. PVC para dimetros hasta 250 mm, clase 10 o clase 15 (Normas ISO 4422). FFD para dimetros de 300 mm a mayores, clase k-9 (Normas ISO 2531). Accesorios de FFD k-9 en todos los casos, para presiones de servicio mayores a 10 bars (Normas ISO 2531).Se evaluar el material de tubera a utilizar cuando la corrosividad sea especialmente agresivo, es decir para cuando el contenido de sales solubles, ion sulfatos y ion cloruros del terreno sean superiores a 1000 ppm y el pH del subsuelo estar fuera de los limites comprendidos entre 6 y 8.b) Dimetro de la tubera

Los criterios de eleccin del dimetro se basan en un anlisis tcnico - econmico.

b.1) Criterio Tcnico:

Para determinar las prdidas de carga por friccin se utiliz la frmula de Hazen Williams, utilizando los coeficientes de rugosidad que se indican posteriormente.

La eleccin de la dimensin del dimetro depende tambin de la velocidad en el conducto, en donde velocidades muy bajas permiten sedimentacin de partculas y velocidades altas producen vibraciones en la tubera, as como prdidas de carga importantes, lo que repercute en un costo elevado de operacin.

Las velocidades recomendables son: Lneas de Conduccin de 0.6 m/s a 3 m/s. Lneas de Impulsin de 0.6 m/s a 2.0 m/s.b.2) Criterio Econmico: El clculo econmico, est basado en: Datos de inversin Inicial Costo de la tubera instalada por metro lineal. Costo del equipo de bombeo instalado por cada HP o kW. Datos de inversin por explotacin Costo anual de operacin. Intereses devengados por Inversin. Valor Presente de Operacin en 10 aos

Para su evaluacin se toma como informacin los siguientes datos: Caudal de bombeo. Longitud de la lnea de impulsin. Coeficiente de rugosidad de Hazen Williams. Niveles de succin y descarga. Tasa de descuento (12% establecida por el BID) Coeficientes de la funcin costos para equipo (a, k) Precio Equipo Instalado=k x (potencia instalada de la bomba)a. Costos de energa en kW/hora. Horas de funcionamiento de la bomba.c) Coeficientes de rugosidad - C:Empleado para clculo de la perdida de carga por friccin con la frmula de HAZEN - WILLIAM y que depende del tipo de tubera a utilizar. Tubos de PVC : Nuevo C = 135Antiguo C = 110 Tubos de FFD : Nuevo C = 130Antiguo C = 100d) Deflexiones en Tuberas de unin flexible: Tuberas de PVC:Se considera que no existe deflexin en las uniones de este tipo, la deflexin se considera en el cuerpo del material y nunca mayor de 30 cm en dimetros menores a 110 mm, y en dimetros mayores hasta un mximo de 12 cm por tubo de 6 m de largo. Tuberas de FFD:Se puede realizar desviaciones en las uniones de 5 en dimetros hasta 150 mm, de 4 en dimetros de 200 a 300mm, 3 en dimetros de 350 mm a 600 mm y de 2 de 700 mm a 800 mm.e) Pendientes mnimas:El diseo de las lneas de impulsin se ha realizado considerando la operacin del sistema, de tal manera que facilite la acumulacin de aire en las partes altas pronunciadas, en donde se instalarn elementos que aseguren la evacuacin de ste.

Se recomienda pendientes mnimas de: 2 a 3 mm/m en las partes ascendentes. 4 a 6 mm/m en las partes descendentes.Estando sujeto esto a la configuracin de la topografa.f) Vlvulas de Aire - Ventosas (evacuacin y admisin de aire):

Las condiciones de funcionamiento, la cantidad y el emplazamiento de estos hacen difcil el dimensionamiento, por lo que se elegir de manera clsica la ubicacin y dimensionamiento de estas vlvulas:

Ubicacin: En todos los puntos altos. Cambio de pendiente ascendente a descendente. En puntos donde la tubera sale sobre el suelo (Ejm.: Casetas, cmaras, etc)Dimensionamiento de acuerdo al dimetro del conducto: DN < 250 mm - Ventosas de DN 60 mm. DN 300 mm a 600 mm - Ventosas de DN 80 mm. DN 700 mm a 900 mm - Ventosas de DN 150 mm.El caso de desniveles importantes se realizar un clculo en forma particular.g) Vlvulas de Purga:

Las vlvulas de purga se ubicarn en los puntos bajos de la tubera.La eleccin se realizar teniendo en cuenta la velocidad de drenaje, recomendndose: DN 100 mm a 400 mm - Vlvulas de DN 100 mm. DN 400 mm a 600 mm - Vlvulas de DN 150 mm. DN 700 mm a 1000 mm - Vlvulas de DN 200 mm.Adems la cruceta de cierre debe ser colocada como mnimo a 60 cm bajo la superficie del terreno.

h) Vlvulas de Seccionamiento:

Las vlvulas de seccionamiento sern ubicadas teniendo en cuenta la operatividad del sistema. Vlvulas Compuerta hasta tuberas de 250 mm. Vlvulas Mariposa desde tuberas de 300 mm.h) Profundidades de excavacin y altura de relleno:

Se considera profundidades de excavacin en el rango de 1.35 m a 2.5 m y una altura de relleno mnima de 1.0 m encima de la clave del tubo.DISEO DE LA LNEA DE CONDUCCIN

a) Caudal de diseo:

Para el diseo de lneas de conduccin se utiliza el caudal mximo diario para el perodo del diseo seleccionado.

b) Carga esttica y dinmica:

La Carga Esttica mxima aceptable ser de 50 m y la Carga Dinmica mnima ser de 1 m.

c)Tuberas:

Para la seleccin de la clase de tubera se debe considerar los criterios que se indican en la figura 2.

Se deber seleccionar el tipo de tubera en base a la agresividad del suelo y al intemperismo. En este ltimo caso, de usarse el fierro galvanizado se le dar una proteccin especial.Aquella en caso que por la naturaleza del terreno, se tenga que optar por tubera expuesta, se seleccionar por su resistencia a impactos y pueda instalarse sobre soportes debidamente anclados.

d) Dimetros:

El dimetro se disear para velocidades mnima de 0,6 m/s y mxima de 3,0 m/s.

El dimetro mnimo de la lnea de conduccin es de 3/4 para el caso de sistemas rurales.

e) Estructuras complementarias:

e.1) Cmara de vlvula de aire:

El aire acumulado en los puntos altos provoca la reduccin del rea del flujo del agua, produciendo un aumento de prdida de carga y una disminucin del gasto. Para evitar esta acumulacin es necesario instalar vlvulas de aire automticas (ventosas) o manuales (figura 3).

e.2) Cmara de vlvula de purga:

Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la lnea de conduccin con topografa accidentada, provocan la reduccin del rea de flujo del agua, siendo necesario instalar vlvulas de purga que permitan peridicamente la limpieza de tramos de tuberas (figura 4).

e.3) Cmara rompe-presin:

Al existir fuerte desnivel entre la captacin y algunos puntos a lo largo de la lnea de conduccin, pueden generarse presiones superiores a la mxima que puede soportar la tubera. En este caso se sugiere la instalacin de cmaras rompe-presin cada 50 m de desnivel.

La tubera de ingreso estar por encima de nivel del agua (figura 5).

f) Dimensionamiento:

Para el dimensionamiento de la tubera, se tendrn en cuenta las siguientes condiciones:

f.1) La Lnea gradiente hidrulica (L. G. H.):

La lnea gradiente hidrulica estar siempre por encima del terreno. En los puntos crticos se podr cambiar el dimetro para mejorar la pendiente.

f.2) Prdida de carga unitaria (hf):

Para el propsito de diseo se consideran:

Ecuaciones de Hazen y Williams para dimetros mayores a 2 pulgadas o hay frmulas dimetros menores a 2 pulgadas como la de Fair Whipple.

Q = 1 x C x D 2.63 x hf 0.54 (1: Constante) Hazen y Williams Q = 2 x D 2.71x hf 0.57 (2: Constante) Fair Whipplehf = Hf / L (Hf: prdida de carga por tramo, L: Longitud del tramo)

f.3) Presin:

En la lnea de conduccin, la presin representa la cantidad de energa gravitacional contenida en el agua. Se determina mediante la ecuacin de Bernoulli.

Z1 + P1/ + V12/2g = Z2 + P2/ + V22/2g + Hf

Donde:

Z=Cota de cota respecto a un nivel de referencia arbitraria.

P/=Altura de carga de presin P es la presin y el peso Especfico del fluido (m)

V=Velocidad media del punto considerado (m/s).

Hf=Es la prdida de carga que se produce de 1 a 2

Si V1 = V2 y como el punto 1 est a presin atmosfrica, o sea P1 = 0. Entonces: P2/ = Z1 - Z2 Hf (figura 6).

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f.4) Combinacin de tuberas:Es posible disear la lnea de conduccin mediante la combinacin de tuberas, tiene la ventaja de optimizar las prdidas de carga, conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto.Se define lo siguiente:

Hf=Prdida de carga total (m).

L=Longitud total de tubera (m).

X=Longitud de tubera de dimetro menor (m).

L-X=Longitud de tubera de dimetro mayor (m).

hf1=Prdida de carga unitaria de la tubera de mayor dimetro.

hf2=Prdida de carga unitaria de la tubera de menor dimetro.

La prdida de carga total deseada Hf, es la suma de prdidas de carga en los dos tramos de tubera (figura 7).

Hf=hf2 x X + hf1 x (L-X

f.5) Perfiles en U:

En zonas donde la topografa obligue el trazo de la lnea de conduccin con un perfil longitudinal en forma de U, las clases de tubera a seleccionarse sern definidas de acuerdo a los rangos de servicio que las condiciones de presin hidrosttica le impongan (figura 2).

DISEO DE LA LNEA DE IMPULSIN

a) Caudal de diseo:

El caudal de una lnea de impulsin ser el correspondiente al consumo del mximo diario para el periodo de diseo. Tomando en cuenta que no resulta aconsejable ni prctico mantener perodos de bombeo de 24 horas diarias, habr que incrementar el caudal de acuerdo a la relacin de horas de bombeo, satisfaciendo as las necesidades de la poblacin para el da completo.Caudal de bombeo = Qb = Qmd x 24 / N N=Nmero de Horas de BombeoQmd=Caudal Mximo Diario

b) Seleccin de dimetros:

Un procedimiento para la seleccin del dimetro es usando la frmula de Bresse.

D = K x X 1/4xQb1/2

X= N de Horas bombeo 24K=1.3

D=Dimetro en m

Qb=Caudal de Bombeo en m3/s.

Determinado un D, se escogen dos (2) dimetros comerciales en torno al valor de Bresse, con velocidades comprendidas entre 0,6 a 2,0 m/s y se determina las prdidas de carga y potencia de equipo requerido en cada caso. El anlisis de costos que involucra tuberas, equipo y costos de operacin y mantenimiento permitir seleccionar el dimetro de mnimo costo.

c) Tuberas:

En forma similar a como se determin para la lnea de conduccin por gravedad, habr que determinar las clases de tubera capaces de soportar las presiones de servicio y contrarrestar el golpe de ariete.

d) Altura dinmica total (Ht):

El conjunto elevador (motor-bomba) deber vencer la diferencia de nivel entre el pozo o galera filtrante del reservorio, ms las prdidas de carga en todo el trayecto (prdida por friccin a lo largo de la tubera, prdidas locales debidas a las piezas y accesorios) y adicionarle la presin de llegada (figura 8).

Hs=Altura de aspiracin o succin, esto es, altura del eje de la bomba sobre el

nivel inferior.

Hd=Altura de descarga, o sea, la altura del nivel superior con relacin al eje de

la bomba.

Hg=Altura geomtrica, esto es la diferencia de nivel; (altura esttica total)

Hs + Hd = Hg

Hftotal = Prdida de carga (totales).

Ps=Presin de llegada al reservorio (se recomienda 2 m).

Ht=Altura dinmica total en el sistema de bombeo, que corresponde a:

Ht = Hg + Hftotal +Ps

f) Clculo del fenmeno de golpe de ariete

Se calcular con las frmulas y teoras de: Michaud, Vensano; de Spare; Teora Inelstica (Johnson, et al) y la de Allieve.

Puede calcularse mediante diversas metodologas; sin embargo, por su simplicidad puede aplicarse la teora de Allieve, que se resume a continuacin:

Datos requeridos para calcular el aumento de presin:

D e==Dimetro de la tubera (m) Espesor de la tuberia (m)

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

C=Celeridad (m/s)

L=Longitud de la tubera (m)

Ho=Carga Esttica (m)

Vo=Velocidad en la lnea (m/s)

Tiempo crtico (Tc) = 2 x L / aTiempo para que el caudal sea nulo (T) = 1 + (k x L x V x Ho / g) a = 9900/ (48+0.5 x (D / e))1/2 considerando a 1000 m/s.k = Coeficiente experimental, donde k = 2-0.0005 x L para valores de L menores de 2000mConstante K de la tubera: K = C x Vo / (2 x g x Ho)

Con K, Tc y T, se halla: N = T / Tc (Tiempo relativo de maniobra).

En el baco de Allieve en la interseccin de K y N lleva las lneas diagonales dan la relacin (Ho + y) / Ho donde y representa el aumento de presin (vase anexo 1).

Se determina la presin a la carga total en la lnea producida por el Golpe de Ariete y la clase de tubera adecuada.

Las medidas para evitar el Golpe de Ariete son:

Limitacin de la velocidad en las tuberas. Cierre lento de vlvulas y registros, construccin de piezas que no permitan la obstruccin muy rpida. Empleo de vlvulas y dispositivos mecnicos especiales, vlvulas de alivio. Utilizacin de tuberas que puedan soportar sobrepresiones ocasionadas por el golpe de ariete. Construccin de pozos de oscilacin capaces de absorber los golpes, permitiendo la oscilacin de agua. Esta solucin es adoptadada siempre que las condiciones topogrficas sean favorables y las alturas geomtricas pequeas. Los pozos de oscilacin deben ser localizados tan prximos como sea posible de la casa de mquinas. Instalacin de cmaras de aire comprimidas que proporcionen el amortiguamiento de los golpes. El mantenimiento de estos dispositivos requieren ciertos cuidados, para que se mantenga el aire comprimido en las cmaras.

g) Estructuras complementarias:

Se mantendr las mismas recomendaciones para el uso de las vlvulas de aire y de purga del numeral 6.5.

h) Lnea gradiente hidrulica:

La lnea gradiente hidrulica se traza partiendo de la estacin de bombeo con la altura dinmica total y la presin residual de llegada al reservorio.

i) Problemas especiales en el trazo de la lnea de conduccin e impulsin:

Pueden presentarse los siguientes casos:

i.1) Zonas rocosas:

Tubera anclada compuesta de fierro galvanizado o resistente al intemperismo.

i.2) Vulnerables a desprendimiento de tierra:

En las reas propensas a las avalanchas hay que utilizar cruces suspendidos. Los puntos de anclaje del cruce deben asentarse sobre terreno firme y la tubera en suspensin debe ser lo suficientemente alta para evitar ser golpeadas por deslizamiento o por detritos.i.3) Cruce de hondonadas:Son formadas por cursos de agua temporales. Las hondonadas angostas y profundas se pueden cruzar con tuberas de Fierro Galvanizado por encima de la hondonada con o sin apoyo intermedio, libre del mximo nivel de inundacin y asegurado en las riberas. Las hondonadas ms anchas tendrn que cruzarse con tubera de Fierro Galvanizado enterrado de la mejor manera posible, y confinado en concreto armado si fuera necesario (figura 9).

i.4)Cruce de riachuelos:Los riachuelos angostos se pueden cruzar de manera similar a las hondonadas angostas, pero se debe prestar atencin a que las riberas del riachuelo, directamente debajo del punto de cruce, permanezcan estables. Se recomienda la construccin de muros de contencin con piedra seca de albailera, o cestones.

Los riachuelos ms anchos requerirn un cruce en suspensin.

i.5) Cruce en suspension:

Pueden requerirse para tuberas suspendidas que cruce un ro ancho, o terreno inestable sujeto a erosiones o deslizamientos. Para este diseo especial de ingeniera se considera:

La tubera suspendida debe ser lo suficientemente alta para no ser daada por elementos que flotan por el ro, por el nivel mximo de crecida, por rocas o pedregones desprendidos. El cable que sujeta a la tubera debe estar adecuadamente anclada en ambos extremos sobre el terreno firme. El cable que sujeta la tubera debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar su propio peso, el de la tubera y el del agua que ella transporta; as como las fuerzas generadas por el viento, el balanceo y la carga de montaje. La tubera debe estar fuertemente asegurada al cable suspendido, ya sea con varillas, o pndolas con grapas. Las uniones de las tuberas deben ser flexibles para garantizar su alineamiento en cambios de temperatura durante el da.

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