4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS
DISEÑO DE SIFÓN INVERTIDO I.
INTRODUCCIÓN.
El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores costos elevando el monto del proyecto. Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón invertido .Los estudios económicos y las consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura. II.
III.
OBJETIVOS: Conocer el funcionamiento funcionamiento y las características que presenta presenta un sifón invertido. Hacer el diseño de un sifón sifón invertido con los datos de un sifón invertido. Con los datos obtenidos de la en la práctica hacer los cálculos correspondientes para comprobar comprobar si el sifón funciona correctamente. MARCO TEORICO:
TEORÍA DEL SIFÓN INVERTIDO Y PUENTE CANAL. Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escogerá la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor perdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser: Puente Canal. Sifón invertido. Alcantarilla. Túnel A. ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA. Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se usa un túnel. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce como puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos.
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4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS El puente canal se utilizara cuando la diferencia de niveles entre rasante del canal y la rasante del obstáculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso del agua en el caso de arroyos o ríos.
El sifón invertido se utilizara si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo. A.1- Concepto de acueducto El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de gravedad. A.2- Concepto de sifón invertido Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un camino, un dren o incluso otro canal. B. CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN. Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue: si gue: Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de la energía específica:
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+
+ Z
∆h =
=
+
+ + Z
+ Z + h tota totales les
− ( +
+ Z )
B.1- partes de un sifón invertido Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes: Transiciones de entrada y salida Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más debajo de la superficie normal del agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que se esté comprendida entre un mínimo de 1.1hv y un maximo de 1.5hv . Carga de velocidad: =
Rejilla en entrada y salida La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 cm2 (1” x 1/2”). Su objeto de la rejilla es el impedir o disminuir la
entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraños o personas. Tuberías de presión Son tuberías que transportan agua bajo presión, para que los costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubería t ubería en pendientes estables y encontrar buenos cimientos. No deberá haber peligro de erosión por desprendimiento de laderas, pero se acceso seguro para hacer mantenimiento y reparación.
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Material Usado Para Tubería De Presión: El acero comercial fue fabricado con planchas de acero roladas y soldadas. En general las tuberías de acero que están protegidas por una capa de pintura u otra capa de protección pueden durar hasta 20 años. Además, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metálicas. Evitar enterrar las tuberías de presión debido a que corren el riesgo de corroerse.
ii.
Velocidades Velocidades en el conducto: Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2.5 – 3.5 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro. Funcionamiento Funcionamiento del sifón El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos Ec. De la Energía en 1 y 2:
+ + Z
=
+
+ Z + hf
P P V V + H min = + +0.5 γ γ 2g 2g 3V H min = 4g Otras fórmulas usadas son:
H min = 0.3V .3V √ D Polikouski y Perelman:
V H mi min = 0.5D( ) √ D Dónde:
V : Velocidad media en la tubería (m/s). D: diámetro de la tubería de acero (m)
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4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS Este sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de carga ΔZ de be ser
mayor a las pérdidas totales. Válvula de purga de agua y lodos l odos Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite evacuar al agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón o para desalojar lodos. Para su limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar. C. DISEÑO HIDRÁULICO DEL SIFÓN INVERTIDO Con la visita de campo y los datos tomados, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y dimensiones de la sección del conducto más conveniente, esto se obtiene después de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que han de presentarse. Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que debe pasar y de la velocidad. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de agua en el conducto de 2.5 – 3.5 3.5 m/s que evita el depósito de azolves en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosión del material en los conductos. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por estas limitaciones resulten, se puede reducir las pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de azolvamiento del sifón, sifón, por lo que habrá de mejorar las facilidades de limpiar el interior del conducto. El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de cargas ΔZ debe ser mayor que las pérdidas
totales. Para el sifón particularmente que analizamos, las secciones del canal a la entrada y salida son rectangulares y de las mismas dimensiones, además de la misma pendiente 0.002, 0.002, en consecuencia consecuencia tendrá tendrá el mismo tirante y velocidad.
∆ h = E − E = Z − Z = 0.6m
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4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS IV.
PROCEDIMIENTO
Primero nos hemos tenido que conseguir algo que funcione como un vertedero y conectarlo al sifón y tambien alambre para poder amarrarlo como podemos ver en la la imagen.
luego de haber colocado el sifon en la botella reciclable de 5 litros (canal) procedemos a colocarlo en la maquina.
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4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS Ya colocado y con la ayuda de mis compañeros debe quedar asi como veremos en la imagen.
luego el sifón debe sumergirse para conducir el agua de un canal logrando atravesar una depresión que esta se forma como un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de gravedad; como veremos en la imagen.
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4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS Despues tenemos que colocar el pedazo de madera que esta medido ya que con eso colocaremos la punta del sifón.
Ya colocado el pedazo de madera en el vertedero nos servira para medir si el caudal es fuerte o es debil depende en que medida de altura coloquemos el sifón, primero colocaremos a h= 25 cm.
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4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS mediremos 3 veces un recipiente a tiempos distintos ( 7 , 5 y 3 segundos ); pero antes de todo pesaremos el recipiente pondremos tara y comenzamos en ensayo.
y luego de haber llenado el recipiente iremos a pesarlo para tener tener el peso.
Y asi haremos para diferentes alturas ( h= 20 cm, h= 15 15 cm, h = 10 cm, cm, h= 5cm) 5cm)
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CALCULOS
N° PRUEBAS 1
H
PESOS (GR)
VOLUMEN (LT)
TIEMPO (SEG)
25
8006
800.6
7
∆
CAUDAL (Q)= V/T
CAUDAL PROMEDIO
114.37 25
2
5542.5
554.25
5 110.85
3
25
3151.5
315.15
110.09
3 105.05
20
4
4950.5
495.05
7 70.72
5
20
4936
493.6
5 98.72
20
6
3355
335.5
93.76
3 111.83
15
7
4707.5
470.75
7 67.25
8
15
3558
355.8
5 71.16
15
9
2402
240.2
72.83
3 80.07
10
10
4771.5
477.15
7 68.16
11
10
2276.5
227.65
5 45.53
12
10
2273
227.3
63.15
3 75.77
13
5
4671
467.1
7 66.73
14
5
3611.5
361.15
5 72.23
15
5
2056
205.6
3 68.53
SABIENDO 10cm3 = 1Lt
10
69.16
4to LAB. DE HIDRAULICA - DISEÑO DE SIFON INVERTIDO INVERTIDO JONATAN ALEJANDRO NOEL VARGAS VAMOS A CONVERTIR LOS PESOS A VOLUMENES V= 8006gr = 8006 cm3 1gr/cm3 V= 5542.5gr = 5542.5 cm3 1gr/cm3 V= 3151.5gr = 3151.5 cm3 1gr/cm3 V= 4950.5gr = 4950.5cm3 1gr/cm3 V= 4936gr = 4936 cm3 1gr/cm3 V= 3355gr = 3355cm3 1gr/cm3 V= 4707.5gr = 4707.5 cm3 1gr/cm3 V= 3558gr = 3558 cm3 1gr/cm3 V= 2402gr = 2402 cm3 1gr/cm3 V= 4771.5gr = 4771.5 cm3 1gr/cm3 V= 2276.5gr = 8006 cm3 1gr/cm3 V= 2273gr = 2273 cm3 1gr/cm3
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V= 4671gr = 4671 cm3 1gr/cm3 V= 3611.5gr = 3611.5 cm3 1gr/cm3 V= 2056gr = 2056 cm3 1gr/cm3
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LUEGO CONVERTIREMOS DE LO QUE ESTA EN CM 3 A LT
8006 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 800.6 LT
5542.5 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 554.25 LT
3151.5 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 315.15 LT
4950.5 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 495.05 LT
4936 cm3 10 cm3 X= 493.6 LT
12
X 1 LT
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3355 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 335.5 LT
4707.5 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 470.75 LT
3558 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 355.8 LT
2402 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 240.2 LT
4771.5 cm3 10 cm3 X= 477.15 LT
13
X 1 LT
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2276.5 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 227.65 LT
2273cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 227.3 LT
4671 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 467.1 LT
3611.5 cm3 10 cm3
X 1 LT
X= 361.15 LT
2056 cm3 10 cm3 X= 205.6 LT
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X 1 LT
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VI.
GRAFICO CON LINEA DE TENDENCIA
∆ H VS CAUDAL PROMEDIO 120.00 y = 38.234x 0.2878 R² = 0.6278
100.00 80.00
CAUDAL PROMEDIO 60.00 Power (CAUDAL PROMEDIO)
40.00 20.00 0
5
10
15
20
25
30
.
VII.
CONCLUSION El diseño del sifón invertido funcionara bien ya que podemos observar la gráfico en la parte de la linea de tendencia veremos una curva creciente; ya que a menor sea la altura donde coloquemos el sifón mayor será el caudal.
VIII.
RECOMENDACIÓN Se recomienda hacer limpieza pasado un determinado tiempo; ya que si el sifón se llena de sedimentos sera probable que disminuya el paso del agua y por ende disminuya su caudal.
IX.
ANEXOS Libro de consulta teoria de diseño del sifón pdf. Diseño de sifón invertido doc.
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