02_Red_Epanet_2006

Prácticas de Instalaciones de Fluidos

Epanet v2.0

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UNIVERSIDAD DE OVIEDO ÁREA DE MECÁNICA DE FLUIDOS http://web.uniovi.es/Areas/Mecanica.Fluidos/

E.P.S. Ingeniería de Gijón Ingenieros Industriales.

Curso 2005-2006

PRÁCTICAS DE INSTALACIONES DE FLUIDOS

EPANET v2.0

Área de Mecánica de Fluidos Febrero 2006

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PRÁCTICAS DE INSTALACIONES DE FLUIDOS

UTILIZACIÓN DEL PROGRAMA EPANET v2.0. 1. Introducción teórica 2. Descripción de la práctica. 3. Definición de objetivos y casos propuestos. 4. Exposición de resultados. 5. Bibliografía.

1. ABASTECIMIENTO DE AGUA EN NÚCLEOS URBANOS. 1.1 Depósitos de regulación y de composición. El emplazamiento, la superficie total a abastecer o la topografía local son parámetros que influyen de forma definitiva en cuál debe ser la solución adecuada para abastecer de agua a una determinada ciudad. En principio, cualquiera que se adopte tiene que garantizar en las acometidas de los edificios una presión entre 20 y 40 mca con el objeto de suministrar suficiente presión a los pisos más altos. Valores superiores podrían dañar la instalación o los electrodomésticos de los vecinos. En general hay dos grandes tipos de abastecimientos: por gravedad y por bombeo. 1.1.1 Abastecimiento por gravedad.

Esta solución es la ideal, pues la de bombeo exige un consumo eléctrico generalmente elevado. Esta primera solución sólo es factible cuando la captación de agua está a un nivel superior suficiente respecto de la ciudad. Dentro de este grupo puede ocurrir: a) El depósito de agua está próximo a la ciudad. En este caso, la regulación de presiones y consumos se haría desde dicho depósito de regulación . b) Si el depósito está lejos de la ciudad, conviene instalar entonces otro próximo a ella a un nivel estudiado e inferior al depósito principal. Este depósito de regulación puede conectarse en serio o en paralelo. La figura 1 muestra la conexión en serie. El gran inconveniente se debe a que la regulación, en volumen, del consumo diario de la ciudad exige depósitos muy voluminosos y por tanto muy costosos.

Depósito principal Depósito de regulación

Ciudad

Figura 1. Abastecimiento por gravedad. Depósito de regulación en serie.



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c) Una segunda opción es colocar el segundo depósito en paralelo. De esta forma, el depósito principal haría la regulación, mientras que el segundo, depósito de compensación , compensa la falta de presiones y de caudal en horas punta. Tiene la ventaja de que ese segundo depósito no regula el consumo sino que sólo sirve de apoyo en horas punta. Nótese que cuando el caudal consumido por el núcleo urbano es bajo, el depósito de compensación recibe agua del principal, mientras que si es alto, ambos depósitos satisfacen a la ciudad.

Depósito principal Depósito de compensación

Ciudad

Figura 2. Abastecimiento por gravedad. Depósito de compensación en paralelo..

1.1.2 Abastecimiento por bombeo.

En general, un abastecimiento por bombeo debe disponer de la instalación de un depósito cercano a la ciudad que tenga elevación suficiente para cubrir las necesidades de presión de la red. El depósito puede ser nuevamente de regulación (figura 3) o de compensación (figura 4). Si se resolviera el abastecimiento sin ningún tipo de depósito intermedio, las bombas tendrían que cubrir los consumos de punta, suministrar un caudal variable y funcionar en horas punta, justo cuando la energía es más cara. Al emplear los depósitos, las bombas sólo deben cubrir el caudal medio, suministrado de forma constante (o al menos más regular) y trabajando en horas de llano y valle en las que la energía eléctrica es más barata.

Depósito de regulación

Depósito principal

Ciudad

Bomba

Figura 3. Abastecimiento por bombeo. Depósito de regulación en serie.

Nuevamente, en este caso el depósito de compensación presenta ventajas respecto al depósito de regulación como son que el depósito es menos voluminoso que el de regulación o que el suministro directo no sube hasta el depósito. La opción del depósito de compensación exige desde luego un mayor cuidado en la selección de los grupos de bombeo, a causa de la variación del caudal suministrado a lo largo del día.



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Depósito de compensación

Ciudad

Depósito principal

Bomba

Figura 4. Abastecimiento por bombeo. Depósito de compensación en paralelo.

1.2

Depósitos de cola.

En muchas ocasiones, la expansión de la ciudad obliga a abastecer puntos cada vez más alejados del depósito de regulación, y que a su vez pueden ser los más bajos de la red. Ello podría originar en los mismos, presiones muy elevadas en horas valle (pocas pérdidas de carga) y presiones muy bajas en horas punta, que podrían incluso cortar el suministro. El problema es resoluble instalando uno o más depósitos, depósitos de cola, en puntos extremos de la red, a un nivel (estudiado) algo inferior al depósito principal. Así, la presión en esos puntos no sube tanto en horas valle pues el depósito de cola se está llenando, ni baja tanto en horas punta pues una buena parte del suministro lo está dando entonces dicho depósito. El depósito de cola se une al depósito principal mediante una o dos tuberías, de diámetro relativamente importante, que atraviesan o rodean la ciudad. Esta tubería quedará conectada a la red en puntos convenientes. En horas valle, entra agua en el depósito de cola, mientras que en horas punta ambos depósitos satisfacen la demanda de consumo.

Ciudad Depósito de regulación

Depósito de cola

Figura 5. Depósito de cola.

1.3

Redes de distribución.

El proyecto de la red de tuberías que va a suministrar agua a cada uno de los puntos de consumo (diversos edificios) no es un problema fácil de resolver. Tiene infinidad de soluciones, por lo que generalmente el criterio económico será el que prevalezca en al estudio de las diversas alternativas. Toda red de distribución está compuesta por tuberías principales (arterias) que son las de mayor diámetro y alimentan al resto de conductos. Como norma general, éstas no tienen tomas de servicio. En segundo lugar, aparecen tuberías secundarias , de menor diámetro y que llevan el agua a las tuberías de distribución . Éstas son las conducciones que dan servicio a los distintos edificios o puntos de consumos en general. Y finalmente, las acometidas que es el conjunto de tuberías y válvulas que conectan la red con las instalaciones interiores de los edificios. ________________________________________________________________________________________________________ Prácticas de Instalaciones de Fluidos 2005-2006


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Generalmente, las redes de distribución pueden ser ramificadas, malladas o mixtas. Las ramificadas son más fáciles de calcular y requieren un menor tendido, por lo que su instalación es más barata, si bien presentan el inconveniente de que una rotura origina un corte a toda la instalación aguas abajo así como que en los extremos el agua puede quedar estancada. Por otro lado, las malladas proporcionan un mejor reparto de presiones y dan mayor garantía de servicio.

Figura 6. a) Red de tuberías ramificada. b) Red de tuberías mallada.

El trazado de la red discurrirá por las calles o espacios públicos no edificables. En las calles, el tendido puede ser doble, uno debajo de cada acera, para que las acometidas resulten más directas, económicas y cómodas. Las arterias, o tuberías principales, han de buscar con el mínimo recorrido el centro de gravedad de las zonas de mayor consumo. La longitud de las arterias no debe superar los 1000 metros y las de las tuberías de distribución los 300 metros. El diámetro mínimo empleado suele ser de 150 mm para poblaciones que superan los 100,000 habitantes. Según normas, la red debe ser preferiblemente mallada con una separación entre lados opuestos comprendida entre 250 y 900 metros, para cubrir una superficie entre 10 y 30 ha, para abastecer entre 500 y 1500 viviendas. Las velocidades máximas del agua en la tubería se pueden calcular de forma aproximada según la siguiente tabla[1]: D (mm) V (m/s)

50 0,60

70 0,70

100 0,75

150 0,80

200 0,90

250 1,00

D (mm) V (m/s)

500 1,40

600 1,60

700 1,70

800 1,80

900 1,90

1000 1200 1600 2000 2500 2,00 2,20 2,50 2,75 3,00

1.4

300 1,10

350 1,20

400 1,25

450 1,30

Cálculo de una red. Para el diseño y el estudio de una red se necesitan como datos previos: a) Plano de la ciudad con sus datos topográficos. b) Puntos de consumo. c) Caudales de consumo, para los que han de tenerse en cuenta diversos factores como son:

[1]

Una expresión que satisface con mucha aproximación, para D ≥ 150 mm, a los valores de la tabla anterior es: Vmax = 2 D [ m s ] , con D en metros. ________________________________________________________________________________________________________ Prácticas de Instalaciones de Fluidos 2005-2006


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I. Número actual de habitantes. II. Tasa estadística de crecimiento anual de la población prevista durante los años de alcance del plan (de un 2% a un 4%), pues el proyecto se realizará para el número de habitantes final. III. El consumo medio anual por habitante y día, que dependiendo de la población viene recogida en esta tabla:

Habitantes (h) < 1,000 1,000 < h < 6,000 6,000 < h < 12,000 12,000 < h < 50,000 50,000 < h < 250,000 > 250,000

Litros/habitante y día 100 150 200 250 300 400

IV. Consumos puntuales (bocas de riego, uso de bomberos…) V. Factores variables: zonas residenciales, industriales, de ocio, hospitales, piscinas públicas, mercados, etc. VI. Las pérdidas por fugas, que pueden representar entre un 3% y un 20% del total, en función del grado de conservación de la instalación. Una vez conocidos los caudales medios en cada línea de red, se determinan los caudales punta (los usados en el cálculo) que se obtienen multiplicando los anteriores por un coeficiente de mayoración (entre 1,4 y 1,5 para poblaciones de más de 500,000 habitantes; entre 1,9 y 2,1 para 10,000 hab. y hasta 2,7 para pequeñas poblaciones). Estos coeficientes tienen en cuenta la hora punta y también las estaciones más calurosas. d) Presiones, que se fijarán teniendo en cuenta que a la entrada de los edificios conviene que su valor esté entre 25 y 40 mca.

2. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA. Por medio del programa de simulación de circuitos hidráulicos, EPANET v2.0, se va a analizar la red de distribución de aguas de una población tipo. EPANET es un programa informático de libre distribución, desarrollado por la Agencia de Protección Medioambiental de los EE.UU. y que incluye una serie de aplicaciones que permiten el análisis y el cálculo de circuitos hidráulicos. La información relativa a la modelización de los circuitos y los cálculos se puede obtener a través del manual del usuario, “Epanet 2.0 en Español. Análisis Hidráulico y de Calidad en Redes de Distribución de Agua” . La traducción del programa y de los documentos de ayuda ha corrido a cargo del Grupo de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Valencia. Dicha traducción al español alcanza a todos los componentes que integran EPANET v2.0, a saber: - El módulo de cálculo (librería .dll y fichero ejecutable en DOS) - La interfaz gráfica y componentes Delphi - La ayuda en línea - El Manual del Usuario ________________________________________________________________________________________________________ Prácticas de Instalaciones de Fluidos 2005-2006


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- Los ejemplos de la aplicación - La herramienta Toolkit para programadores y su ayuda en línea - El instalador de la aplicación y ficheros auxiliares El software libre, así como los archivos de ayuda se pueden descargar directamente de las páginas: www.redhisp.upv.es (página del Grupo REDHISP de la Univ. Politécnica Valencia) www.aguasdevalencia.es (página principal Grupo Aguas de Valencia) así como desde otros muchos enlaces ofrecidos por diferentes entidades públicas y privadas, asociaciones de estudiantes, etc.

3. DEFINICIÓN DE OBJETIVOS Y CASOS PROPUESTOS. El objetivo último que se persigue es que el alumno desarrolle las habilidades necesarias para diseñar y modelar una red de distribución de agua y resolverla por medio de un programa informático. Se planteará un caso real sobre el que cada alumno deberá realizar el consecuente proceso de abstracción con el objeto de implementar geometrías, los parámetros de funcionamiento y la tipología de la malla. Finalmente, se hará el análisis de los resultados obtenidos.

3.1. Caso propuesto. Se va a analizar el sistema de distribución de aguas de la ciudad de Gijón. La información aquí presentada puede ser consultada en la página web de la empresa municipal de aguas (EMA). Para definir la red de distribución, se emplearán los datos incluidos en la figura 7. Esta figura introduce un esquema general de los depósitos y de las tuberías principales que configuran la red de distribución de la ciudad. Junto a cada tubería se informa del valor del diámetro de dichas conducciones. Respecto a los cuatro tanques que conforman el núcleo de la instalación, así como de las fuentes de suministro se tienen los siguientes datos: 1) Acuífero Somió-Deva-Cabueñes : Este acuífero, suministra aproximadamente la sexta parte del consumo de agua de Gijón (unos 5 millones de m 3 al año). Está formado por agua de infiltración retenida en un terreno calizo. Esta agua, se bombea a los depósitos de Roces, donde se mezcla con las distintas aguas que llegan a Gijón, adquiriendo su dureza ideal. 2) Manantial de Llantones: Este manantial suministra aproximadamente la décima parte del agua que se consume en la ciudad (unos 2,5 millones de m 3 al año). Esta agua es conducida para su tratamiento a la Estación de Tratamiento de Aguas Potables (ETAP) de la Perdiz, dónde se realizará el proceso de tratamiento. 3) Manantial de Los Arrudos : Está situado en Campo de Caso y para llegar hasta Gijón el agua ha de atravesar 53 Km de conducción. El aporte de este manantial representa un tercio del agua consumida anualmente en nuestra ciudad, lo que supone aproximadamente unos 10 millones de m3. Es un agua de excelente calidad, que se ve afectada en menor grado que la de Llantones por las fuertes precipitaciones. Ello se debe a que la conducción que transporta el agua está mejor protegida y aislada del exterior. ________________________________________________________________________________________________________ Prácticas de Instalaciones de Fluidos 2005-2006


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4) Agua de CADASA: Estas son las siglas del Consorcio para el Abastecimiento de Agua y Saneamiento en la Zona Central de Asturias, creado para abastecer con agua del Nalón (en la zona alta, antes de los lavaderos de carbón) a la zona centro de nuestra región. El agua se embalsa en dos presas: la de Tanes es la mayor de ellas y está situada a una altura superior; la de Rioseco, de menor capacidad, está situada a menor altura. El salto entre una y otra presa es aprovechado por una central para producir energía eléctrica. Posteriormente, en la depuradora de Rioseco, se hace pasar al agua por un proceso similar al descrito para el agua de Llantones. Para Gijón esta agua representa aproximadamente la mitad de su consumo (unos 16 millones de m 3 /año). Es el agua que abastece a la mayor parte de la zona periurbana de Gijón. Posteriormente entra en la planta potabilizadora de La Perdiz, a la parte "nueva", construida en 1975. 5) Depósito de La Perdiz : Se trata en realidad de dos depósitos: uno grande, con 41.000 m3 de capacidad y otro más pequeño con 10.000 m3. Están situados en la cota 100 m (altura con respecto al mar). El depósito grande sirva agua a los depósitos de Roces, Cerillero y al pequeño de la Perdiz. Este último sirve al depósito de Castiello. 6) Depósito de Roces : Es un complejo de cinco depósitos con una capacidad de 125.000 m3. Estos depósitos son los principales de Gijón. Están situados en la cota 66 m y aseguran el abastecimiento y la presión de agua suficiente para el consumo de la mayor parte de la ciudad. Los depósitos de Roces reciben el agua del depósito grande de la Perdiz, la mayor parte del agua producida por los sondeos en el acuífero de Somió, Deva, Cabueñes y también, directamente, la procedente del manantial de Los Arrudos. El agua sale de estos depósitos por tres grandes tuberías que están situadas en una galería visitable que va a dar a la avenida de Schulz y llega hasta la Puerta de la Villa. Estas tres tuberías tienen unos diámetros de 500 mm (dos de ellas) y 1000 mm. Esta tercera tubería se divide, a poca distancia de su salida, en dos: una de600 mm que se dirige hacia la zona El Coto y otra de 500 mm que va hasta el barrio de La Calzada. Las dos anteriores de 500 mm son las que continúan por la galería hasta la Puerta de la Villa, sirviendo agua al cetro de Gijón. 7) Depósito del Cerillero: Un solo depósito, construido en 1973, con una capacidad de 33.000 m3. Se encuentra a una altura de 66 m sobre el nivel del mar y su función es abastecer y uniformar presiones en la zona oeste de Gijón, donde anteriormente se producían numerosos problemas. Recibe el agua del depósito grande de La Perdiz a través de una conducción que tiene un diámetro de 800 mm. También aporta agua uno de los depósitos de Roces, del que sale una conducción de 300 mm de diámetro. Este depósito sirve el agua a la zona oeste a través de una de las arterias más importantes de Gijón, situada en la avenida de la Argentina, en La Calzada, que se prolonga por El Natahoyo hasta llegar al centro de Gijón. Su diámetro es de 800 mm. 8) Depósito de Castiello: Este depósito está situado en una cota de 76 m de altura. Tiene una capacidad de 16.000 m 3 y fue construido para mejorar la presión y suministro de la zona este de Gijón. Recibe el agua del depósito pequeño de La Perdiz, aunque le llega otro pequeño aporte del acuífero de Somió-Deva-Cabueñes. El agua sale del depósito por una conducción de 700 mm de diámetro hacia Viesques, La Guía, Somió y Cabueñes.



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Figura 7. Esquema de distribución de agua.

Para definir la longitud de cada una de las conducciones, se incluye la figura 8, con un plano de Gijón a escala y una vista en planta aproximada de la red de distribución de agua. Los puntos finales son los puntos de consumo y representarían la derivación hacia las tuberías finales de distribución de los edificios. Para estimar los consumos en los diversos barrios, se adjunta la siguiente tabla con un reparto aproximado de la población de Gijón por distritos: % Total

Hab

Barrios

29

79,750

Distrito ESTE

23.5

64,625

Distrito OESTE

12.4

34,100

Distrito SUR

21.5

59,125

Distrito EL LLANO

13.6 100

37,400 275,000

Centro, Cimadevilla, Laviada La Arena, El Coto, El Bibio, Las Mestas, Vieques, Ceares La Calzada, Jove, Tremañes, Natahoyo, Moreda Pumarín, Montevil, Contrueces, El Polígono, La Braña, Nuevo Gijón, Santa Bárbara, Roces El Llano

Distrito CENTRO

TOTAL

Tabla 1. Distribución de la población de Gijón por distritos.



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Acuífero de SomióDeva-Cabueñes SOMIÓ Y EL BIBIO VIESQUES EL COTO

Depósito de Castiello

LA ARENA

EL CENTRO

EL LLANO Los Arrudos

MONTEVIL

PUMARÍN

Depósito de la perdiz - pequeño

MOREDA NATAHOYO

CADASA Depósito de Roces NUEVO GIJÓN LA CALZADA

Depósito de la perdiz - grande

TREMAÑES

Depósito del Cerillero

Figura 8. Plano con la distribución de la red de abastecimiento.

Con estos datos, cada alumno debe introducir en el EPANET la red de distribución y calcular los caudales por las diversas conducciones principales, así como las presiones en los puntos de consumo. Compruébese si los valores de presión en los puntos de consumo se encuentran dentro de los márgenes que recomienda la normativa.



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3.2 Análisis en régimen extendido. Una vez realizado el estudio del permanente, se va a analizar el comportamiento dinámico de la red durante un día típico. Para ello, a los diversos puntos de consumo se le va a aplicar un patrón de demanda variable a lo largo del tiempo como el que se muestra en la figura 9.

Figura 9. Patrón de demanda con respecto a la media a lo largo del día.

4. EXPOSICIÓN DE RESULTADOS. Tras la realización de la práctica se redactará un informe en el que se recojan de manera clara y concisa los resultados obtenidos. En unos casos será conveniente hacerlo en forma de tabla, como por ejemplo, las presiones en los diversos nodos de la red de distribución o los caudales en cada línea. En otros casos es más conveniente la representación gráfica, por ejemplo, el mapa de la distribución con el sentido de los caudales por las diversas conducciones. En el informe se recogerán también las conclusiones que se extraigan del trabajo realizado. A continuación se muestran algunos ejemplos de resultados tipo.

4.1 Análisis permanente

Figura 10. Velocidades y demandas por diversas líneas. ________________________________________________________________________________________________________ Prácticas de Instalaciones de Fluidos 2005-2006


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Figura 11. Resultados en régimen permanente.

Figura 12. Distribución longitudinal de presión desde CADASA a La Arena.

4.2 Análisis extendido

Figura 13. Evolución temporal del consumo en diversos nudos. ________________________________________________________________________________________________________ Prácticas de Instalaciones de Fluidos 2005-2006


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0:00 horas

4:00 horas

8:00 horas

12:00 horas

16:00 horas

20:00 horas

Figura 14. Evolución temporal de la red de distribución.

5. BIBLIOGRAFÍA. •

Agüera Soriano, J. “Mecánica de Fluidos Incompresibles y Turbomáquinas Hidráulicas” cap IX. Ed. Ciencia 3, 2002.

•

Mataix, C. “Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas”, cap. 15. Ed. CIE-Dossat, 2000.

•

Blanco, E.; Velarde, S.; Fdez Francos, J. “Sistemas de Bombeo”. Univ. Oviedo, 1994.


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