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Universidad Técnica particular de Loja
HIDRÁULICA I
DISEÑO DE CAPTACIÓN CONVENCIONAL
Autores:
Julio C. Rodríguez C. Vicente E. Proaño R.
05/10/2012
UTPL
la Universidad Católica de Loja
Materia: Hidráulica
DISEÑO DE CAPTACIÓN CONVENCIONAL
1. INTRODUCCIÓN Un sistema de abastecimiento de agua está formado esencialmente por: la fuente de agua y su obra de captación, obras de conducción o transporte, almacenamiento, tratamiento y distribución. En el presente informe se describe el procedimiento para el diseño de una captación convencional con todos sus elementos en los que está incluido el cálculo de la reja de fondo, cálculo del Desripiador, cálculo del canal de transición y cálculo de la compuerta de lavado. 2. DISEÑO 2.1.Especificaciones Se desea diseñar una captación convencional para las siguientes características. Un caudal de diseño de 0.8 m3/s, una carga de agua sobre el vertedero de 0.5m y una altura desde el fondo del cauce hasta el umbral de 0.8m y una altura desde el fondo del destripador hasta el umbral de 0.6m considerado un desnivel de la carga agua tras el paso de la reja de z= 0.1m . Considerando que la velocidad del rio es de 0.22 m/s, un coeficiente de contracción de los barrotes (K) de 0.85 y un espesor de los barras (t) de 0.01m con una separación entre ellos (s) de 0.04m. 2.2.Datos y Esquema De las especificaciones se obtuvieron los datos (Tabla. 1) para la construcción de esquema de la captación (Figura. 1).
Carrera: Ingeniería Civil
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Tabla 1. Datos Hr = Hn = P1 = P2 = Z=
0.5 0.4 0.8 0.6 0.1
m m m m m
Q= K= t= s= Vr =
0.8 m3/s 0.85 0.01 m 0.04 m 0.22 m/s
El valor de Hn se lo obtiene atreves de la diferencia de la carga de la carga de altura del vertedero menos el desnivel de la carga al momento de pasar la reja. Una vez obtenidos los datos se procede a realizar los cálculos de diseño. 2.3.Procedimientos para el Cálculo de la rejilla. 2.3.1. Comprobación para ver si la raja trabaja sumergida. Para poder comprobar si la reja trabaja sumergía hay dos condiciones: Primera Condición:
1.2 > 0.6
La primera condición cumple. Segunda condición:
0.17 < 0.7
2.3.2. Calculo del Coeficiente de Corrección por Sugerencia "S". Para el cálculo del coeficiente de corrección por sumersión se usaron dos métodos, el método de Villemonte y el método de Bazin y para el cálculo de los elementos del sistema se usaron los valores promedios entre los dos resultados ya que nos daría un resultado más conservador y este Carrera: Ingeniería Civil
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procedimiento es muy usado en nuestro País1. Los datos para el cálculo del coeficiente se muestran en la (Tabla. 2) Tabla 2. Datos Hr = Hn = P2 = z=
0.5 0.4 0.6 0.1
m m m m
Bazin:
[ ]
Villemonte:
= 0.696
= 0.616
Valor Promedio: 0.656 2.3.3. Calculo del coeficiente de Sumersión. Para el cálculo del coeficiente de sumersión se usaron dos métodos, el método de Konovalov y el método de Bazin y para el cálculo de los elementos del sistema se usaron los valores promedios, por las mismas condiciones que se usaron para l método del coeficiente de corrección por sumersión. Konovalov:
En Ecuador se usa el promedio del coeficiente de corrección por sumersión obtenidos atravesó del método de Villemonte y Bazin este procedimiento no está normado pero ha obtenido resultados muy positivos al emplearlo.
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2.3.4. Calculo del ancho del vertedero. Una vez determinados el coeficiente de sumersión y el coeficiente de corrección por sumersión procedemos a determinar el ancho de vertedero atreves d la siguiente ecuación.
= 2.07 m
2.3.5. Calcula de número de barrotes y Número de espacios Para el cálculo del número de barrotes se utilizó la siguiente formula que están en función de ancho del vertedero y de la separación de los barrotes (Tabla 3): Tabla 3. Datos b1 = s
2.066 0.04
Numero de espacios.
= 51.65
Numero de Barrotes.
= 50.65
2.3.6. Ancho total de la rejilla. Par el ancho total de la reja se usó las ecuaciones siguientes.
2.3.7. Calculo del Angulo de Inclinación de la reja.
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Para el cálculo del ángulo d inclinación de la reja debemos primero calcular la velocidad media del flujo de agua en el rio a la entrada de la reja, los datos para los cálculos de muestran en la Tabla 4 y un esquema del movimiento del flujo se muestra en la Figura 2. Tabla 4. Datos Vr =
0.22 m/s 1.033075 A= m2 2 Q = 0.8 m3/s
Figura 2.
2.3.8. Chequeo del caudal que pasa por la reja. Tras determina los valores del coeficiente de sumersión y el coeficiente de corrección por sumersión y ancho de la reja (Tabla 5) hacemos la comprobación del caudal que pasa por la reja que debería ser el mismo que el caudal de diseño ya que estos parámetros fueron calculados con este caudal. Tabla 5. Datos b = K = Mo = S = Hr = Carrera: Ingeniería Civil
2.066 0.850 1.964 0.656 0.5
m
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El caudal queda comprobado ya que salió el mismo que el caudal de diseño. 2.3.9. Diseño conservador. Para un diseño conservado se utiliza los siguientes rangos (Tabla. 6) de porcentajes de obturación: Tabla 6. RÍO DE TRAMO ALTO:
5% hasta 15%
RÍO DE TRAMO MEDIO:
15% hasta 25%
RÍO DE TRAMO BAJO:
25% hasta 40%
Para nuestro diseño utilizaremos un 10 % de obturación una vez determinado este valor debemos recalcular el ancho de la reja y el número de barrotes y después comprobar el caudal que circula en la reja. Con b = 2.07m calculamos el 10 e obturación.
2.3.10. Calcula del nuevo número de barrotes y Número de espacios Se calcula el número se barrotes y el número se espacios con el nuevos valor del (b) (Tabla 7) que es el ancho de la reja. Tabla 7. Datos 2.273 b= 0.04 s
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2.3.11. Ancho total de la rejilla con el nuevo valor de (b) (Tabla 8). Tabla 8. Datos b s t Nb
2.273 0.04 0.01 55.82
2.3.12. Calculo del nuevo caudal con el nuevo de (b) los datos se muestran en la Tabla 9. Tabla 9. Datos b = 2.27276545 m K = 0.85 Mo = 1.96370562 S = 0.65611163 Hr = 0.5 m
2.3.13. Calculo de pérdidas en la rejilla. Para el cálculo de la reja se emplean los datos de la Tabla 10, que son datos calculados anteriormente además del coeficiente de pérdidas por rejilla que se muestra en la Figura 3. Tabla 10. Datos K t s α
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2.24 0.01 0.04 80
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Hr
0.5 m
Q
0.88 m3/s
bobturación 2.27 m Vm 0.77 m/s
Figura 3.
2.4.Calculo del Desripiador (Figura 4). Figura 4.
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Los datos para el cálculo del Desripiador se muestran en la Tabla 11 los datos del vertedero se muestran fueron calculados previamente2. Tabla 11. TABLA DE DATOS Datos de Rejilla Datos del Vertedero 3 Q 0.880 m /s b 2.273 m Hr 0.5 m Hn 0.4 m P1 0.8 m P2 0.6 m z1 0.1 m 0 z'0 m z'1 0.2 m V 0.7744 m/s
3
Q 0.880 m /s z2 0.06 m z2' 0 m Hr' 0.4 m Hn' 0.34 m P2 P3
0.6 m 0.6 m
2.4.1. Calculo de conjugado Meno “y1”
2
Los datos del Vertedero fueron calculados a treves de los desniveles marcado con z que se muestran en la Figura 4. El procedimiento de Cálculo fue realizado en la hoja de Excel.
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Para el Cálculo de conjugado menor se utiliza los datos que se muestran en la Tabla 12, datos que ya fueron Calculados anteriormente. El cálculo del conjugado menor se lo realiza aplicando la ecuación de Bernoulli, pero la ecuación esta en función de y1 por lo cual el conjugado menor se lo realiza atreves de tanteos hasta que la ecuación que ** de igualada. Para mayor facilidad de cálculos se despejo el caudal de la ecuación dejándolo en un solo miembro e igualando al otro miembro que está en función de conjugado menor, el preseo de tanteos se lo realizo en Excel con la extensión Solver. 2
Comparar el cálculo del conjugado menor, con el siguiente Procedimiento: Tabla 12. Datos Datos q 0.387 m2/s k 0.95 z'0 0 m P1 0.8 m Hr 0.5 m V 0.77 m/s
Para el cálculo de conjugado menor en este procedimiento se lo realiza atreves de tanteos hasta cumplir con la igualdad de la ecuación.
√
Para el caculo de los siguientes elementos que conforman la captación se usara el conjugado menor calculado con el segundo procedimiento. y1 = 0.082 m Carrera: Ingeniería Civil
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2.4.2. Calculo del conjugado mayor (y 2) Para el cálculo del conjugado mayor datos cálculos previamente que se muestran en la Tabla 13. Tabla 13. Datos y1 0.0824 m q 0.3872 m2/s
[ ] 2.4.3. Longitud del Desripiador. El cálculo de la longitud del Desripiador está en función del conjugado mayor y menor este cálculo se lo realizara atreves del procedimiento propuestos por de tres autores diferentes: Según Pavlovski:
Previamente antes del cálculo de la longitud del vertedero debemos calcular el coeficiente de sumersión y el coeficiente de corrección por sumersión un resumen de los datos se muestra en la Tabla 14.
Valor Promedio: 0.588
2.5.Canal de Transición.
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= 3.5 m
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Para el cálculo del canal de transición se incluyen nuevos datos como el coeficiente de rugosidad (n) y la pendiente longitudinal (J) como también la pendiente del talud del canal (m). en la tabla 15 se muestran en resumen de los datos. Tabla 15. Datos n J Q m
0.015 0.005 0.88 0
m3/s
2.5.1. Cálculo del tirante al final de la transición (inicio del canal): 2
n *Q * 23
8
d 1 3
1
J 2
2
m
2
1
m
0.49m
Una vez calculado el tirante al final de la transición calculamos el ancho de la solera con el siguiente criterio: b 2d b = 0.98 m Una vez calculado el ancho de la solera podemos determinar el área hidráulica: A b * d A = 0.48 m2 Calculo del Perímetro mojado: P b 2 * d P = 1.95 m Calculo del radio hidráulico: R
A P
R = 0.24 m Cálculo de la velocidad (Manning):
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V
1
* R
2
1
3
* J 2
n
V = 1.84 m/s Caculo de la Longitud de Transición: Lt
T 1 T 2 2 * Tan(12.5º )
Lt = 5.67 m 2.6.Compuerta de lavado: Para el cálculo de la compuerta de Lavado usaremos los datos que se muestran en la tabla 16, datos que fueron anteriormente calculados. Tabla 16 Datos H = Ycr = Q = a = b = k = e =
0.6 0.27 0.88 0.4 ? 0.95 0.68
A =
0.41
m
V=
2.13
m/s
Comprobación:
m m3/s
2
0.67 > 0.1 OK cumple
V 2 q k e a 2 g H (e a) 2 g q = 0.851 Tras el análisis hemos obtenido un “b”:
