Lección N 3 Linea de Conducción 8vo

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ABASTECIMIENTO DE AGUAS

Lección N° 3. Línea de Conducción

Se llama " Línea de conducción " al conjunto integrado por tuberías, estaciones de bombeo y accesorios cuyo objetivo objetivo es transportar el agua, procedente de la fuente de abastecimiento, abastecimiento, partir de la obra de captación, hasta el sitio donde se localiza el tanque de regularización, planta potabilizadora o directamente a la red de distribución. Esta conducción, se puede efectuar de dos maneras, dependiendo de la ubicación de la fuente de abastecimiento con respecto a las obras de regularización. Si la fuente de abastecimiento se encuentra en un nivel topográfico arriba del tanque de almacenamiento, la conducción se realizara por gravedad, ya sea trabajando como canal (sin presión), o como tubo (a presión), siendo este último el más común en las obras de abastecimiento de agua potable. Si la fuente de abastecimiento se encuentra a un nivel topográfico abajo del tanque de regularización, la conducción se realiza por bombeo. Podemos Clasificar las líneas de conducción en los siguientes grupos:   

Por gravedad Por Bombeo Una combinación de ambas ( mixta )

3.1. Consideraciones técnicas 3.1.1. Ecuación de conservación Para aplicar las ecuaciones de conservación a una línea de conducción, se deben realizar, inicialmente, algunas consideraciones para su uso: - El fluido es incompresible - El flujo es permanente - El volumen de control es rígido y fijo - El volumen de control tiene una sola entrada y una sola salida normales al flujo El volumen de control tiene la forma mostrada en la figura.

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La ecuación de conservación de masa (continuidad) es:

Donde: V1 = Velocidad en la sección 1 (m/s) A1 = Área transversal de la sección 1 (m2) V2 = Velocidad en la sección 2 (m/s) A2 = Área transversal de la sección 2 (m2) Ecuación de conservación de energía:

Donde: z1, z2 = Elevación de la conducción en las secciones 1 y 2 (m) p1, p2 = Presión interna en las secciones 1 y 2 (N/m2) Hf = Pérdidas de energía (m) Hf = hf + ha donde: hf = Pérdidas primarias o mayores (m) ha = Pérdidas secundarias o menores o por accesorios (m) 3.1.2. Pérdidas menores. En una conducción existen muchos puntos singulares, entendiendo por los tipos de válvulas, codos o curvas, bifurcaciones, juntas de unión, ventosas, filtros, contadores y, en general, cualquier singularidad de la tubería. Todas estas particularidades, denominadas también “piezas especiales” producen lo que

se llama pérdidas de cargas menores, puntuales, singulares o particulares. - Método de la longitud equivalente Se llama longitud equivalente Le de una pieza especial a la longitud de tubería que, con el mismo diámetro que el de la pieza, produce igual pérdida de carga. Según la fórmula de Darcy-Weisbach, la pérdida de carga viene dada por la expresión:

En el caso de piezas especiales L representa la longitud equivalente, es decir:

Por medio del ábaco de las longitudes equivalentes, construido por la casa Whortington (ábaco nº 23 de Cuadros y ábacos), se puede determinar perfectamente la longitud equivalente de las distintas piezas especiales, según los diferentes diámetros de las mismas.

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-


Método de los factores de paso o coeficientes Las pérdidas en piezas especiales se pueden evaluar también por el llamado factor de paso K, de forma que:

Siendo K el factor de paso en piezas especiales, equivalente al factor fórmula de Darcy - Weisbach

de la

3.2. Cálculo hidráulico de tuberías a presión Son acueductos que trabajan a presión, su presión de trabajo es mayor a la presión atmosférica; la tubería conduce el agua a sección llena. El movimiento de agua se debe netamente a la fuerza de la gravedad sobre la masa de agua Para el diseño deben considerarse los siguientes elementos: - Trazado de la aducción - Tipo de tubería - Velocidad - Diámetros mínimos - Pendientes 3.2.1. Trazado de la aducción El trazado de la aducción debe realizarse previo reconocimiento en campo del relieve topográfico, geológico y tipo de suelo, en lo posible paralelo a las vías públicas y caminos e uso general de la población. En el trazado además de considerar el caudal de diseño, vida útil, y análisis económico, los siguientes factores: - La conducción sea cerrada (en lo posible a presión). - El trazado sea lo más directo posible de la fuente la planta de tratamiento y/o tanque de almacenamiento o red de distribución. - La línea evite, en lo posible los tramos de difícil construcción o inaccesibles. - La línea de conducción esté por debajo de la línea píezométrica a fin de evitar zonas de depresión que representa un peligro de aplastamiento de la tubería y posibilidad de cavitación. - Se deben evitar presiones superiores a las máximas permisibles que afectan la seguridad de la aducción. - La línea no se debe de construir en zonas de deslizamiento e inundaciones. - Se debe evitar la construcción en tramos de pendiente y contra pendiente que pueden causar bloqueos de aire en la línea.

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3.2.2. Tipo de tubería Tuberías usadas en el sistema de abastecimiento de aguas. En los procesos de acueductos intervienen las tuberías como elementos principales del sistema. Por ello, la selección del material a emplear debe hacerse atendiendo a diversos factores que permitirán lograr el mejor diseño. A continuación se tiene la clasificación de clases de tuberías según por su grado de fragilidad, corrosividad, flexibilidad, rugosidad y peso. Cuadro 1. Coeficiente de rugosidad de Williams – Hazen en función a la clase de tubería

Coeficiente de rugosidad de Williams – Hazen (C) 130

Clase de tubería Tubería de hierro fundido, nuevo Tuberías de hierro fundido, después de 15 ó 20 años 100 Tubería de hierro fundido, gastado 90 Tubería de hierro fundido dúctil 100 Tuberías de acero galvanizado 100 – 110 Tuberías de asbesto cemento 140 Tuberías de policloruro de vinilo 140 Tubería de concreto 110 Tubería de polietileno 150 Fuente: Manual técnico de instalación de tubos LIMAPLAST S.A.

Por otra parte, también, se tiene la clasificación según por las presiones internas de trabajo, establecidos por la ASTM y por la AWWA. Cuadro 2. Clase de tubería en función de la presión normal AWWA

Clase 100 150 200 250 300 350

Presión de trabajo Lbs/pulg 100 150 200 250 300 350

Equivalencia en metros de columna de agua 70 105 140 175 210 245

Cuadro 3. Clase de tubería en función de la presión Norma ISO

Clase (kg/cm2) 5 10 15 20 25

Metros de agua 50 100 150 200 250

Presión en Lbs/pulg 71.5 143.0 214.5 286.0 357.5

Atmósfera 5 10 15 20 25

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La elección del material debe ser efectuada con base en: - Las características topográficas. - Calidad del agua. - Tipo de suelo. - Resistencia a la corrosión y agresividad del suelo. - Resistencia a esfuerzos mecánicos producidos por cargas externas e internas. - Características de comportamiento hidráulico (velocidades, presiones, golpe de ariete). - Vida útil del proyecto. - Costos de operación y mantenimiento. - Análisis económico. La característica de la tubería depende de tres aspectos: diámetro, clase y tipo de tubería  Diámetro, se debe mencionar que comercialmente a cada tubería se le asigna un diámetro nominal que no es el mismo diámetro interno del conducto.  La clase de tubería se refiere a la norma que se usó para su fabricación, íntimamente relacionada con la presión de trabajo. También indica la razón entre el diámetro externo y el espesor de la pared de la tubería.  Tipo de tubería se refiere al material de que está fabricada. Los materiales más comunes usados para las tuberías de acueductos son el cloruro de polivinilo (PVC) y el acero galvanizado (H.G.). 3.2.3. Velocidades de diseño La velocidad máxima debe ser considerada en función del tipo de material de la tubería, de acuerdo a la Tabla. Tabla 1 Velocidades máximas permisibles en tuberías.

En tuberías de impulsión la velocidad no debe ser mayor a 2,00 m/s. A objeto de mitigar los efectos por golpe de ariete, y en general cuando éste sea inminente, se recomienda que la velocidad máxima no deba superar a 1,50 m/s. La velocidad mínima en la tubería debe ser establecida en función de la velocidad de auto limpieza. La velocidad mínima recomendada es de 0,30 m/s. 3.2.4. Diámetro mínimo

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Para la selección del diámetro de la tubería de aducción deben analizarse las presiones disponibles, las velocidades de escurrimiento y las longitudes de la línea de aducción. La elección debe estar basada en un estudio comparativo técnico económico mediante las técnicas de optimización que tornen mínima la función costo anual. La experiencia indica que en aducciones el diámetro mínimo es de 2 pulgadas (zona rural) por motivos socioeconómicos. 3.2.5. Pendiente Con el objeto de permitir la acumulación del aire en los puntos altos y su eliminación por las válvulas colocadas para tal efecto y facilitar el arrastre de sedimentos hacia los puntos bajos para el desagüe de las tuberías, éstas no deben colocarse en forma horizontal. Las pendientes mínimas deben ser:  j = 0,04%, cuando el aire circula en el sentido de escurrimiento del agua.  j = 0,10% a 0,15%, cuando el aire circula en el sentido contrario al escurrimiento del agua En este último caso la pendiente no debe ser menor que la pendiente de la línea piezométrica de ese tramo. Cuando se considere necesario uniformar pendientes a costa de mayor excavación a efectos de evitar un gran número de válvulas de aire y cámaras de limpieza, debe realizarse una comparación económica de ambas variantes. 3.3. Tuberías en serie y paralelo - Tubería en serie Las tuberías están conectadas en serie cuando van colocadas una a continuación de otra. Basándose en el teorema de la continuidad, el caudal es el mismo para cada tubería en ausencia de manantiales ó sumideros y la pérdida de carga total es la suma de las pérdidas parciales.

Figura 1. Tubería den serie de dos tramos

La carga o energía disponible H debe ser igual a la suma de todas las pérdidas de carga que ocurren en el sistema (continuas y locales). Esta condición se expresa por la ecuación de la energía.

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Los subíndices 1 corresponden al primer tramo, los subíndices 2 corresponden al segundo tramo. Esta ecuación podría extenderse a cualquier número de t ramos. Dentro de las pérdidas de carga locales se está considerando, operativamente, la energía de velocidad del fluido.

Si tuviéramos una tubería compuesta por varios tramos de diferentes diámetros, el último de los cuales descarga a la atmósfera con una velocidad Vsalida.

Por tanto, se tiene:

-

Tubería en paralelo Se dice que las tuberías están conectadas en paralelo cuando parten y terminan en el mismo punto.

Se dice que las tuberías BMC y BNC están en paralelo. Ambas tienen en su origen (B) la misma energía. Lo mismo ocurre con su extremo (C) en el que ambas tienen la misma energía. La diferencia de energía entre B y C es la energía disponible. La energía disponible determina de acuerdo a la naturaleza del contorno y del fluido, las características del escurrimiento. La energía disponible se transforma en energía de velocidad, de presión y elevación. En un conducto horizontal muy largo con velocidad relativamente pequeña se puede considerar que la energía disponible da lugar íntegramente a la pérdida de carga continua. Nótese que la ramificación puede ser en la forma de dos o más tuberías, cada una de las cuales tiene su propio diámetro, longitud y rugosidad.

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Ley de pérdida de carga: “Las pérdidas de carga entre dos nudos a más son independientes del camino recorrido”

Donde: hf: representa la pérdida de carga en cada uno de los tramos La suma de los gastos parciales de cada una de las tuberías es igual al casto total Q de la tubería AB (y de la tubería CD). La ecuación de continuidad debe verificarse para el nudo B y para el nudo C. Para el cálculo de tuberías en paralelo se presentan básicamente dos casos. En ambos suponemos conocidas las características de las tuberías, diámetro, longitud y rugosidad, así como las propiedades del fluido. 1. Se conoce la energía disponible hf entre B y C, y se trata de calcular el gasto en cada ramal. 2. Se conoce el gasto total Q y se trata de determinar su distribución y la pérdida de carga. 3.4. Accesorios y piezas especiales 3.4.1. Válvulas de no retorno check La válvula de no retorno, sirve para evitar la inversión de flujo en un conducto. En general, debe ser instalada en la tubería de descarga de los equipos de bombeo. Este tipo de válvula cierra normalmente de forma instantánea al presentase la inversión del flujo. 3.4.2. Válvulas de seguridad Esta válvula sirve para disminuir el incremento de presión asociado al golpe de ariete en el sistema. Al aumentar la presión dentro del conducto se genera una fuerza tal que se supera la resistencia del resorte, la válvula abre totalmente en forma instantánea. Estas válvulas operan totalmente abiertas o totalmente cerradas.

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Figura 2. Dibujo esquemático de una válvula de seguridad

3.4.3. Válvula aliviadora de presión o supresora de oscilaciones. Estas válvulas tienen un funcionamiento amortiguador de la sobrepresión provocada por el Golpe del ariete. Cuando la presión aumenta dentro del conducto produce fuerza F2 que abre la válvula (2) al vencer la resistencia del resorte, dando lugar a que circule el flujo a través de ella hacia la descarga y disminución de presión en la cámara (3) y la generación de una fuerza F1 en la válvula principal haciendo de esta manera que se inicie la apertura. Como consecuencia del volumen descargando por la válvula provoca la disminución de presión del conducto por lo que la válvula (2) cierra y se establece un nuevo equilibrio que inicia el cierra de la válvula. 3.4.4. Válvulas de Admisión y Expulsión de Aire Este tipo de válvulas funcionan admitiendo aire cuando por causa del golpe de ariete la presión de la sección donde está situada la válvula desciende por debajo de un límite prescrito. Expulsa aire en el llenado de la línea. Problemas relacionados al de aire en l as tuberías.



Disminución del flujo: Al tener el aire dentro de las tuberías se formaran bolsas de aire en los puntos de variación de la pendiente. Cuando se tiene equipos de bombeo, se requerirá una mayor presión con menor eficacia de la bomba. En los conductos de gravedad, debido a que no existe presión para empujar el aire, se tendrán mayores problemas teniéndose en ocasiones cese de flujo .

Figura 3. Cese del flujo debido a bolsas de aire en una tubería a presión

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Figura 4. Cese del flujo debido a bolsas de aire en una tubería a baja presión (gravedad) 



Cavitación: Dentro de la tubería, al reducirse la sección, aumenta la velocidad teniéndose una Caída local de presión y formación de burbujas de vapor; las cuales se colapsan cuando las condiciones de flujo vuelven a ser normales, provocando la erosión. La acción destructiva de la cavitación puede ser evitada suministrando aire a la tubería. Exactitud de medidas y contadores: La presencia del aire en el agua provoca un error en los medidores de flujo, ya que muchos medidores se basan en la velocidad del flujo. La velocidad del aire, a igualdad de presión y temperatura, es 29 veces superior a la del agua. Evacuando el aire en las proximidades de los medidores de garantiza la exactitud de las medidas.

3.4.5. Válvula de purga de aire: para eliminar el aire acumulado en la tubería se instala las válvulas de aire en los puntos altos de la línea porque allí se acumula el aire, y el diámetro de la válvula estará en función del diámetro de la línea. Se recomienda instalar las válvulas en: Puntos donde la tubería salga del suelo, por ejemplo la instalación de las válvulas de control. Si después de la válvula la tubería asciende, instalar una eliminatoria de aire, si desciende y hay peligro de vaciado rápido, una válvula contaminadora. En tuberías con pendiente uniforme se recomienda entre 400 y 800 m En los quipos de bombeo, antes de la válvula de retención (check) se recomienda instalar una válvula de admisión y expulsión de aire. Se debe instalar una válvula combinada antes de los medidores (10 diámetros) para evitar error en las mediciones y daños al equipo. En el cruce de las carreteras, después del cruce una válvula combinada. 

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3.4.6. Caja rompe presión La cámara rompe presión se debe construirse cuando un tramo de la línea, que está operando como un canal, en algún momento puede llegar a tener una presión de trabajo superior a la clase de tubería ocasionado falla en la línea, en esta condición se instala cajas rompe presión para garantizar una presión máxima de operación menor a la clase de tubería, con lo cual se garantiza la operación normal de la línea por presión. Para la localización de las cámaras rompe presión se deben seguir los siguientes criterios: - Mantener la carga máxima estática de acuerdo a la presión de trabajo del material utilizado (tuberías y accesorios). - En lugares accesibles con condiciones de suelo adecuados para la construcción. - Las condiciones que deben tomarse en cuenta para el diseño son: Debe estar constituida por dos cámaras interconectadas. Las dimensiones de las cámaras deben ser calculadas para un tiempo de retención de 5 a 10 minutos. La profundidad de agua respecto a la tubería de salida, debe determinarse en función a las pérdidas de carga, garantizando una abertura necesaria que permita la circulación del caudal de diseño. El ingreso a la cámara se debe realizar mediante un chorro sumergido multidireccional. Debe instalarse una válvula a la salida y otra de limpieza. Asimismo debe instalarse una tubería de rebose y otra de ventilación para evitar presiones negativas.  



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Figura 5. Cámara rompe presión tipo 7.

3.4.7. Cruce aéreo Son estructuras compuestas por: pilares de soporte (H° C° o metal) y cables de sujeción de la tubería de F.G. en hormigón armado o celosías de metal que permiten el paso del agua sobre alguna depresión natural o curso de agua. Se calculan considerando que el cable principal debe formar una catenaria. El principal estado de cargas (solicitación) en el cruce aéreo, considerará los pesos propios de la tubería, cables y agua dentro de la tubería, debiéndose mayorar para prevenir el efecto de la vibración por el flujo del agua y la velocidad del viento.

Figura 6. Cruce aéreo cruzando un río o quebrada

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3.4.8. Sifón Invertido Los sifones invertidos son conductos de agua que atraviesan depresiones topográficas por presión hidráulica. Esta estructura tiene aplicación para conducir el agua potable debajo de cursos de agua y quebradas.

Figura 7. Sifón invertido cruzando una quebrada

El diseño de esta estructura, se realiza mediante el análisis de las pérdidas de carga hidráulica entre el punto de entrada y salida, empleando la ecuación de Bernoulli:

Subíndice 1 posición al ingreso del sifón - Subíndice 2 posición a la salida del sifón. Se estima aceptable la velocidad mínima en sifones es de 0,6 m/s.

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Ejemplo 1: Se desea ampliar la capacidad de una línea de conducción existente de fierro fundido de 10” de diámetro y 1,250 m de longitud, la máxima carga disponible es 24.50 m, y la demanda futura es 121 lps. Determinar la solución técnica económica considerando que el costo de la tubería de asbesto cemento por metro es: 1.21 D1.46. Ejemplo 2 Diseñar una línea de conducción entre un manantial cuya cota es 395.00 m y un reservorio cuya cota de llegada es 225.00 m, para conducir un caudal de 160 lps. El trazo escogido tiene tres tramos con pendiente uniforme cuyas longitudes son partiendo del manantial: 4,100 m, 2,200 m, y 5,800 m; las cotas al final del primer y segundo tramo son 355.00 m y 235.00 m, respectivamente. Se dispone de tubería de asbesto cemento de diámetros 12”, 10” y 8” de clase A -7.5, no considerar cajas rompe presión. Ejemplo 3 Una línea de conducción, con tubería de coeficiente de rugosidad 140, tiene el siguiente perfil donde los puntos 1 y 5 son el ingreso y salida, respectivamente:

Diseñar la línea de conducción para un caudal de 60 lps. Ejemplo 4. Para el esquema mostrado, se dispone de tuberías de 14”, 16” y 18” de diámetro que soportan

una presión máxima de 50 metros. Para un coeficiente de rugosidad de 100 y un caudal de 5 00 lps. Determinar los diámetros en cada tramo aprovechando la carga máxima y dibujar la línea de gradiente.

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Ejemplo 5. De una captación con cota 122.80 m existe una línea de conducción hasta un reservorio apoyado, de cota de ingreso 102.60 m, de 750 m de longitud y 6” de diámetro. Para aumentar la oferta se construye otra captación con cota 120.50 m y se lleva la tubería con un trazo de 650 m hasta empalmar con la línea existente a 250 m antes de llegar al reservorio. Si la captación existente tiene un rendimiento de 32 lps y la proyectada un rendimiento de 35 lps. Diseñar las líneas de conducción para estas nuevas condiciones aprovechando al máximo la carga disponible.

Ejemplo 6. Diseñar una línea de conducción desde la planta de tratamiento, cota de salida 457.20 m, hasta dos reservorios R1 y R2. Se dispone de las siguientes tuberías de asbesto cemento: 1,050 m de 10”, 400 m de 6” y 1,500 m de 8”. De la planta el trazo tiene 480 m hasta un punto donde parten

dos líneas, la primera de 950 m llega a R1 en la cota de 432.65 m y la segunda de 825 m llega a R2 en la cota 423.91 m. Los reservorios R1 y R2 abastecen a sus zonas de influencia 121.50 y 62.10 lps, respectivamente.

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Ejemplo 7. El sistema del Eje Paita-Talara considera en su último tramo una línea de conducción de 25,175 m, de la cual se ramifica a los reservorios 3014, Ruso y Negritos con líneas de conducción de 2,310, 3,040, y 9,726 m, respectivamente; las cotas de llegada son 96.20, 97.60, y 66.40 m, respectivamente; y los caudales de conducción deben ser 376, 171 y 47.50 lps, respectivamente. Diseñar las líneas de conducción con tubería de hierro fundido dúctil sin considerar cajas rompe presión, tubería en serie, válvula reductora de presión; para los diámetros seleccionados cuales son los caudales que se conducen a cada reservorio. Cota de salida de la caja al inicio de la línea, 241.50 m.

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