ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
CLASE 5 ESTRUCTURAS HIDRAULICAS DEL TRANSPORTE DE AGUA Parte II
Ø
LINEA DE ADUCCION
Ø
RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
LINEA o TUBERIA DE ADUCCION Es la tubería que une el reservorio con la red de distribución.
LINEA o TUBERIA DE ADUCCION Es la tubería que une el reservorio con la red de distribución.
RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
RED DE DISTRIBUCION DE AGUA Es el conjunto de tuberías de diferentes diámetros, válvulas, grifos y demás accesorios, cuyo origen está en el punto de entrada a la ciudad (final de la línea de aducción) y que se desarrolla por todas las calles, conduciendo al agua hasta la vivienda del poblador. La red está relacionada con el reservorio debido a que éste suministra el agua y condiciona la presión en la red (zonas de presión).
“AGUA POTABLE PARA POBLACIONES RURALES”, R. AGÜERO PITTMAN
RED DE DISTRIBUCION DE AGUA ...
PARAMETROS BASICOS DE DISEÑO DOTACION Consumo Doméstico Consumo Comercial Consumo Industrial Consumo Público REQUERIMIENTO DE AGUA POTABLE Caudal medio (Qm) Caudal Máximo Diario (Q d) Caudal Máximo Horario (Q h)
VARIACIONES HORARIAS Coeficiente de Variación Diaria (K1) Coeficiente de Variación Horaria (K 2) PERIODO DE DISEÑO POBLACION DE SERVICIO VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO Volumen de Regulación Volumen de Reserva Volumen Contra incendio Volumen de Funcionamiento del Sistema (rebombeo)
RED DE DISTRIBUCION DE AGUA ...
CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO
Dependiendo del REGLAMENTO, se consideran dos situaciones: 1. Población que no cuenta con servicio contra incendio: Qmh = k2Qm 2. Población que sí cuenta con servicio contra incendio: Qmd + QIncendio ó Qmh considerándose la situación más desfavorable. Se calcula y verifica en la red: 1. VELOCIDAD EN LA TUBERÍA:
Vmín = 0.60 m/s Vmáx = 3.0 m/s
2. PRESIÓN Mínima: necesidades domésticas 15 m – Ocasiones 10 m Máxima: influye en el mantenimiento de la red – 50 m En el caso de piletas públicas, la presión dinámica mínima podrá reducirse a 3.50 m a la salida de la pileta. 3. Además se deben de considerar los DIAMETROS MINIMOS especificados por los REGLAMENTOS.
SISTEMAS DE DISTRIBUCION DEL AGUA POTABLE 1.
SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO
2.
SISTEMA CERRADO O EN MALLAS
3.
SISTEMA MIXTO
SISTEMA CERRADO
SISTEMA MIXTO SISTEMA ABIERTO
PLANEAMIENTO PARA EL CALCULO DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA INFORMACION NECESARIA PARA EL DISEÑO
1.
Plano Regulador / Desarrollo Urbano (zonificaci ón, expansión urbana).
2.
Plano Topogr áfico.
3.
Sistema de agua potable si es que lo hubiese.
4.
Planos actualizados de otros servicios públicos (telefonía, electricidad, alcantarillado, gas, etc).
5.
Plano de pistas y veredas.
6.
Estudio geotécnico, geológico, mecánica de suelos.
VELOCIDAD MEDIA MAS ECONOMICA EN TUBERIAS EN m/s [1] TUBERIA DE SUCCION EN BOMBAS CENTRIFUGAS, DE ACUERDO CON LA CARGA DE SUCCION, LONGITUD, TEMPERATURA DEL AGUA (<70ºC)
0.5 a 1.0
TUBERIAS DE DESCARGA EN BOMBAS
1.5 a 2.0
REDES DE DISTRIBUCION PARA AGUA POTABLE E INDUSTRIAL TUBERIAS PRINCIPALE S TUBERIAS LA TERALES TUBERIAS MUY LAR GAS
1 a 2 0.5 a 0.7 1.5 a 3
TUBERÍAS EN INSTALACIONES HIDROELECTRICAS CON TURBINAS CON INCLINAC ION Y DIA METRO PEQUEÑO CON INCL INACION Y DIAMETRO GRA NDE HORIZONTAL ES Y GRAN LONGITUD
2 a 4 3.6 a 8 1 a 3
[1] “ROHRHYDRAULIK”, H. RICHTER, 4 ed. Springer Verlag, Berlín-1962.
ANALISIS Y DISEÑO DE REDES HIDRAULICAS
ECUACIONES QUE GOBIERNAN EL PROBLEMA 1. Ecuación de Continuidad:
ECUACION DE NUDO:
∑Q = q
2. Ecuación de Energía:
ECUACION DE CIRCUITO:
∑ h = 0
3. Ecuación de Cant. de Mov.: PERDIDA DE ENERGIA:
h = KQ n
METODOS DE ANALISIS: Se conoce D, L, C ó k, q; se calcula Q y/o h. 1. Balance de Ecuación de Circuito: MET. DE H. CROSS
2. Balance de Ecuación de Nudo: MET. DE CORNISH
∆Q = −
∑h h n∑ Q
∆h = − n ∑
Q−q Q
∑h
3. Balance Ecs. Nudo y Circuito: MET. DE NEWTON-RAPHSON (Mc Ilroy) 4. Balance Ecs. Nudo y Circuito: MET. DE LA TEORIA LINEAL (D. Wood) 5. Balance Ecs. Nudo y Circuito: MET. DEL GRADIENTE HIDRAULICO (Ezio Todini & Enda O´Connell)
OPTIMIZACION DE REDES HIDRALICAS CERRADAS
Diseño de la red, optimización, calibración de la red existente y la generación de reglas de operación necesarias para el control en tiempo real de la distribución de agua potable. METODOS DE DISEÑO: Se conoce h o SUPERFICIE DE PRESION, L, C ó k, q, se calcula D OPTIMO y Q. METODO DE A. TONG
DQ
= +
SLe
1.85S(Le/Q)
LONGITUD EQUIVALENTE
(Le) METODO DE V. RAMAN & S. RAMAN DQ = +
CONCEPTO
S(Le/Q)
2.85S(Le/Q2) DIAMETRO EQUIVALENTE
METODO DE A. K. DEB & SARKAR
(De) DQ
=
A’
m
2
(0.381m – 1) S(De /Q )
S(De
m
/Q) (0.381m – 1) S(Dem /Q 2)
ALGORTIMO GENETICOS, REDES NEURONALES,…
OPTIMIZACION DE REDES HIDRALICAS ABIERTAS
METODO DE I-pai WU Inicialmente desarrollado para sistemas de riego a presión, Wu demostró que en una serie de n tuberías con caudales laterales al final de cada una de ellas el costo es mínimo cuando la línea de gradiente hidráulica forma una curva cóncava hacia arriba con una flecha del 15% en el centro con respecto a la línea recta que une las cargas de energía al inicial y al final de la serie.
ANALISIS DE REDES HIDRAULICAS
APLICACIONES Y SOFTWARE Para redes pequeñas se resuelven las ecuaciones generalizadas con: 1. Calculadoras científicas programables. 2. Hojas de Cálculo: Excel, Quattro-Pro, Lotus, … 3. Aplicaciones informáticas de matemáticas generales:
MATLAB, MATHCAD, TK Solver, EUREKA,…
ANALISIS DE REDES HIDRAULICAS - APLICACIONES Y SOFTWARE ... Para redes grandes, las instituciones han desarrollado:
1.
Software especializado que analizan zonas de presión y/o velocidad, bombas, reservorios en condiciones estáticas y reproducen períodos extendidos (reglas de operación de la bomba, variaciones de la demanda) con presentaciones gráficas. Están relacionados con otros programas: AutoCAD, Excel. NOMBRE
ENTIDAD
e_mail
NOTA
BANCO MUNDIAL
www.fao.gov
ok!
HAESTAD METHODS INC. (1)
www.haestad.com
ok!
EPAnet Pipe2000 KYPIPE
ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY
www.epa.gov
ok!
UNIVERSIDAD DE KENTUCKY
www.kypipe.com
ok!
FINESSE
DE MONTFORT UNIVERSITY - UK INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGIA DEL AGUA
www.eng.dmu.ac.uk
ok!
LOOP WaterCAD (STAND ALONE Y FOR AutoCAD)
CADred REDES
www.imta.com
www.jsaldarr@ Juan SALDARRIAGA V. (2) UNIVERSIDAD.DE LOS ANDES - COLOMBIA uniandes.edu.co
ok!
(1) “ADVANCED WATER DISTRIBUTION MODELING AND MANAGEMENT”, Haestad Methos, 1º Edición 2002. (2) “HIDRAULICA DE TUBERIA”, Juan SALDARRIAGA V., Mc. Graw Hill-1998
Otros: CYBERNET, Macro Hardy Cross, Watermax, Watnet, Water-works, FlowMaster, Hydronet, Hydroflow II, Aquanet, ….. 2.
Lenguaje de programación: FORTRAN, PASCAL, C, BASIC.
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE UN SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO
Se desea diseñar la red de distribución para una localidad de una población dispersa de densidad heterogénea, con una población futura de 1,125 habitantes, para un período de diseño de 20 años y una dotación de 90 l/hab/día (K1= 1.3, K2 = 1.5). Considerar que las tuberías son de PVC.
A - B B-C C-D C-E B - Rp Rp - F F-G F-H H-I
Nº DE HABITANTES DE LA POBLACION FUTURA SERVIDA POR EL TRAMO 122 161 160 157 100 103 119 105 98
TOTAL
1,125
TRAMO
“AGUA POTABLE PARA POBLACIONES RURALES”, R. AGÜERO PITTMAN
SISTEMA ABIERTO
RED DE DISTRIBUCION ABIERTA
R : RESERVORIO C.R. : CAMARA ROMPEPRESION
EJEMPLO DE APLICACIÓ APLICACIÓN DE UN SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO ...
Consumo medio:
Qm =
Qm =
Consumo máximo horario:
Pob * Dot 86,400
1,125*90 86,400
= 1.172 l
s
Qmh = k2Qm Qmh =1.5*1.172 =1.758 l s
Caudal unitario:
qu =
qu =
Caudal por tramo:
Qmh Poblacion _ Futura
1.758
= 0.0015627 l s * hab 1,125
qtramo = qu * N º _ habi tan tes _ por _ tramo
EJEMPLO DE APLICACIÓ APLICACIÓN DE UN SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO ...
CALCULO DE LOS CAUDALES POR TRAMO TRAMO A - B B-C C-D C-E B - Rp Rp - F F-G F-H H-I TOTAL
CAUDAL Nº DE HABITANTES DE LA POBLACION FUTURA POR TRAMO SERVIDA POR EL TRAMO (l/s) 122 0.191 161 0.252 160 0.250 157 0.245 100 0.156 103 0.161 119 0.186 105 0.164 98 0.153 1,125 1.758
qtramo = qu * N º _ habi tan tes _ por _ tramo
Ej e m p l o d e c ál c u l o
Tramo H-I:
0.0015627*98=0.153 …
RESUMEN DEL CALCULO HIDRAULICO DE LA RED DE DISTRIBUCION SISTEMA RAMIFICADO
TRAMO (m)
CAUDAL (l/s)
LONG . (m)
DIAM. (plg)
VELOC (m/s)
TRAMO DISEÑO
PERDIDA CARGA UNIT (%)
TRAMO (m)
COTA PIEZOMET . (msnm) INICIAL
FINAL
COTA DEL TERRENO (msnm)
PRESION (m)
INICIAL
FINAL
INICIAL
FINAL
Res – A
--
1.758
60
1½
1.542
72.9288
4.3757
2462.000 2457.624
2462.00
2443.00
0.00
14.62
A–B
0.191
1.758
125
1½
1.542
72.9288
9.1161
2457.624 2448.508
2443.00
2432.00
14.62
16.51
B–C
0.252
0.747
97
1½
0.655
14.9712
1.4522
2448.508 2447.056
2432.00
2430.00
16.51
17.06
C–D
0.250
0.250
67
1
0.493
14.2094
0.9520
2447.056 2446.104
2430.00
2424.00
17.06
22.10
C–E
0.245
0.245
105
1
0.484
13.6881
1.4373
2447.056 2445.619
2430.00
2432.00
17.06
11.62
B – Rp
0.156
0.820
109
1½
0.719
17.7897
1.9391
2448.508 2446.569
2432.00
2412.00
16.51
32.57
Rp – F
0.161
0.664
98
1½
0.582
12.0400
1.1799
2412.000 2410.820
2412.00
2392.00
0.00
18.82
F–G
0.186
0.186
86
1
0.367
8.2221
0.7071
2410.820 2410.113
2392.00
2369.00
18.82
41.11
F–H
0.164
0.317
100
1
0.626
22.0468
2.2047
2410.820 2408.615
2392.00
2385.00
18.82
23.62
H-I
0.153
0.153
120
1
0.302
5.7288
0.6875
2408.615 2407.928
2385.00
2372.00
23.62
35.93
PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS DIAMETROS Por Continuidad:
D =
4Q π
V
donde V es la velocidad óptima de Ritcher TRAMO PRINCIPAL:
Res-A, A- B, BC Q = 1.758 l/s V = 1.5 m/s
D = 0.039 m
TRAMO SECUNDARIO: C-D, C- E Q = 0.250 l/s, 0.245 l/s V = 1.0 m/s TRAMO PRINCIPAL:
D = 0.018 m
B-Rp Q = 0.82 l/s V = 1.5 m/s
D = 0.026 m
11/2”
1”
Ok !
M í n im o
1” 11/2”
Ok !
PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS DIAMETROS ... TRAMO PRINCIPAL:
Rp-F Q = 0.664 l/s V = 1.5 m/s
TRAMO PRINCIPAL:
F-G, F-H, H-I
D = 0.024 m
1” 11/2” 1”
Ok !
M í n im o
VELOCIDAD CALCULADA CON LOS DIAMETROS COMERCIALES Por Continuidad:
V =
4Q D 2
π
PENDIENTE DE LA LINEA DE ENERGIA 1.85
Por H&W:
Q S = 2.63 0.0004264CD C = 140
p s
PERDIDA DE ENERGIA Por definición:
h = SL
TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCION 1. REDES PRIMARIAS – TRONCALES – MATRICES - PRINCIPALES - Son tuberías que conducen el agua hacia las redes secundarias. - El dimensionamiento de hace mediante el CALCULO HIDRAULICO.
2. REDES SECUNDARIAS – RELLENO – SERVICIO - Forman la estructura básica del sistema y distribuyen el agua hacia las tomas domiciliarias. - El dimensionamiento se realiza de acuerdo a datos experimentales y/o especificaciones técnicas.
CLASIFICACION DE LAS REDES SECUNDARIAS
1. TIPO CONVENCIONAL 2. TIPO EN DOS PLANOS 3. TIPO EN BLOQUES CONVENCIONAL 4. TIPO EN BLOQUE EN DOS PLANOS
PREDIMENSIONAMIENTO DE LA RED PRINCIPAL Se deben de determinar los DIAMETROS de las tuberías. Se considera que el consumo de agua es a través de los nudos.
CALCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA DE LOS NUDOS - Caudal por unidad de lote o conexión. - Caudal por unidad de longitud – METODO DE LONGITUD TRIBUTARIA - Caudal por unidad de área – METODOS DE AREAS
CALCULO DE LOS DIAMETROS TENTATIVOS DE LOS TRAMOS - Método de la Velocidad - Método de la Gradiente - Método de la Pendiente Uniforme
METODO DEL SECCIONAMIENTO La red cerrada se convierte en una red abierta ramificada debido al corte que se realiza en la red proyectada en varios puntos determinados, de tal manera que el flujo de agua sea en un solo sentido y proveniente de un ramal principal.
1
2
3
4
1
2
3
5 8
9
6
4
5 8
I
9
II
6
METODO DEL SECCIONAMIENTO … En la red proyectada se identifican los circuitos, los cuales están formados por tramos numerados y que al seccionarse la red se calculan los caudales para cada tramo de la red abierta. En un seccionamiento ideal, las presiones calculadas en los puntos de corte deben ser iguales; en la práctica se tolera una diferencia máxima de 10% con respecto al valor de las presiones obtenidas para cada nudo. Si esto no se verifica, se deberán alterar convenientemente los diámetros de algunas tuberías o modificar el seccionamiento adoptado.
METODO DE LONGITUDES TRIBUTARIAS
METODO DE AREAS TRIBUTARIAS Los caudales se concentran en los nudos en proporción al área tributaria del nudo con respecto al área de servicio total.
1
2
8
3
4
5 9 6
LIMITE DEL AREA DE INFLUENCIA
RED MATRIZ
1
2
8
3
4
5 9 6
METODO DE AREAS TRIBUTARIAS … Para determinar las áreas tributarias se trazan mediatrices a las tuberías principales . A2
1
2
AREA DE INFLUENCIA TRIBUTARIA
CAUDAL DE INFLUENCIA
1
A1
q1
2
A2
q2
3
A3
q3
…
…
…
…
…
…
9
A9
q9
TOTAL
A
QD
AREA TRIBUTARIA DEL NUDO 2
3
4
q2
8
NUDO
5 9 6
A AREA TOTAL
qi = CAUDAL DE INFLUENCIA
qi = qu Ai qu = QD/A
QD = CAUDAL DE DISEÑO qU = CAUDAL UNITARIO Ai = AREA TRIBUTARIA A = AREA TOTAL
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Pasos básicos en el diseño: 1. TRAZO DE LA RED
C RED = K RED Lq 0.6
La red tiene economía de escala: si q se duplica, CRED crece en 52% 2.
DIAMETRO DE LA TUBERIA
3.
CAUDAL DE DISEÑO
4.
PRESION DE DISEÑO
C DIAMETRO = K DIAM D 2
CONEXIONES DE SERVICIO Los sistemas de abastecimiento de agua prestan el servicio mediante piletas públicas y/o conexiones domiciliarias. En las localidades rurales se puede presentar el caso de piletas, las que se ubican en puntos estratégicos dentro del centro poblado con la finalidad de reducir la distancia que debe recorrer el usuario. Las conexiones domiciliarias que terminan en el interior de la vivienda son derivadas de las tuberías secundarias. Este servicio es utilizado en las zonas urbanas.
ACCESORIOS DE LA RED DE DISTRIBUCION
VALVULAS
USOS: 1. VALVULA DE CONTROL DE FLUJO 2. VALVULA REDUCTORA DE PRESION 3. VALVULA SOSTENEDORA DE PRESION 4. VALVULA ROMPEDORA DE PRESION 5. VALVULA DE IMPEDIMIENTO DE RETORNO DE FLUJO
TIPOS DE VALVULAS HIDRAULICAS 1. DE PISTON 2. DE MEMBRANA 3. DE DIAFRAGMA 4. DE DISCO 5. DE ASIENTO
VALVULAS DE REGULACION
VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION
VALVULAS MANTENEDORAS DE PRESION
