Lección N 9 . Sistema de Distribucion

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ABASTECIMIENTO DE AGUAS

Lección N° 9. Sistema de Distribución

9.1. Sistema de distribución Una red de distribución (que se denominará en lo sucesivo red) es el conjunto de tuberías, accesorios y estructuras que conducen el agua desde tanques de servicio o de distribución hasta las tomas domiciliarias o hidrantes públicos. Su finalidad es proporcionar agua a los usuarios para consumo doméstico, público, comercial, industrial y para condiciones extraordinarias como el extinguir incendios. La red debe proporcionar este servicio todo el tiempo, en cantidad suficiente, con la calidad requerida y a una presión adecuada. 9.2. Componentes de una red Una red de distribución de agua potable se compone generalmente de: a. Tuberías: Se le llama así al conjunto formado por los tubos (conductos de sección circular) y su sistema de unión o ensamble. Para fines de análisis se denomina tubería al conducto comprendido entre dos secciones transversales del mismo. La red de distribución está formada por un conjunto de tuberías que se unen en diversos puntos denominados nudos o uniones. De acuerdo con su función, la red de distribución puede dividirse en: red primaria y red secundaria. A la tubería que conduce el agua desde el tanque de regulación hasta el punto donde inicia su distribución se le conoce como línea de alimentación, y se considera parte de la red primaria. La división de la red de distribución en red primaria o secundaria dependerá del tamaño de la red y de los diámetros de las tuberías. De esta forma, la red primaria se constituye de los tubos de mayor diámetro y la red secundaria por las tuberías de menor diámetro, las cuales abarcan la mayoría de las calles de la localidad. Así, una red primaria puede ser una sola tubería de alimentación o cierto conjunto de tuberías de mayor diámetro que abarcan a toda la localidad. b. Piezas especiales: Son todos aquellos accesorios que se emplean para llevar a cabo ramificaciones, intersecciones, cambios de dirección, modificaciones de diámetro, uniones de tuberías de diferente material o diámetro, y terminales de los conductos, entre otros. A las piezas o conjuntos de accesorios especiales con los que, conectados a la tubería, se forman deflexiones pronunciadas, cambios de diámetro, derivaciones y ramificaciones se les llama cruceros. También permiten el control del flujo cuando se colocan válvulas. c. Válvulas: Son accesorios que se utilizan para disminuir o evitar el flujo en las tuberías. Pueden ser clasificadas de acuerdo a su función en dos categorías: - Aislamiento o seccionamiento, las cuales son utilizadas para separar o cortar el flujo del resto del sistema de abastecimiento en ciertos tramos de tuberías, bombas y dispositivos de control con el fin de revisarlos o repararlos. - Control, usadas para regular el gasto o la presión, facilitar la entrada de aire o la salida de sedimentos o aire atrapados en el sistema. d. Hidrantes: Se le llama de esta manera a una toma o conexión especial instalada en ciertos puntos de la red con el propósito de abastecer de agua a varias familias (hidrante público)

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o conectar una manguera o una bomba destinados a proveer agua para combatir el fuego (hidrante contra incendio). e. Tanques de distribución (reservorio) : Un tanque de distribución es un depósito situado generalmente entre la captación y la red de distribución que tiene por objeto almacenar el agua proveniente de la fuente. El almacenamiento permite regular la distribución o simplemente prever fallas en el suministro, aunque algunos tanques suelen realizar ambas funciones. Se le llama tanque de regulación cuando guarda cierto volumen adicional de agua para aquellas horas del día en que la demanda en la red sobrepasa al volumen suministrado por la fuente. f. Tomas domiciliarias: Una toma domiciliaria es el conjunto de piezas y tubos que permite el abastecimiento desde una tubería de la red de distribución hasta el predio del usuario, así como la instalación de un medidor. Es la parte de la red que demuestra la eficiencia y calidad del sistema de distribución pues es la que abastece de agua directamente al consumidor. 9.3. División de una red Una red de distribución se divide en dos partes para determinar su funcionamiento hidráulico: la red primaria, que es la que rige el funcionamiento de la red, y la red secundaria o "de relleno". La red primaria permite conducir el agua por medio de líneas troncales o principales y alimentar a las redes secundarias. Se considera que el diámetro mínimo de las tuberías correspondientes a la red primaria es de 100 mm. Sin embargo, en colonias urbanas populares se puede aceptar de 75 mm y en zonas rurales hasta 50 mm, aunque en grandes urbes se puede aceptar a partir de 500 mm. La red secundaria distribuye el agua propiamente hasta la toma domiciliaria. Existen tres tipos de red secundaria: a) Red secundaria convencional: En este tipo de red los conductos se unen a la red primaria y funcionan como una red cerrada. Se suelen tener válvulas tanto en las conexiones con la red primaria como en los cruceros de la secundaria. En la figura que se muestra este tipo de red, así como algunas de sus características.

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Figura 1. Red secundaria convencional

Notas: - Esta red está formada por dos circuitos (red primaria) con un total de 76 cruceros, 69 válvulas de seccionamiento y 54 cajas de operación de válvulas. - En la red secundaria se tienen 60 válvulas de seccionamiento y 48 cajas de operación de válvulas. - Para aislar sectores de operación en el interior de los circuitos, formados por 6, 7 u 8 tramos de calles, se deben cerrar 6 u 8 válvulas. Los tramos cerrados corresponden a 3 o 4 calles diferentes. b) Red secundaria en dos planos: En una red de este tipo, las tuberías se conectan a la red primaria en dos puntos opuestos cuando la red está situada en el interior de los circuitos, o bien en un solo crucero de las tuberías primarias en los casos de líneas exteriores a ellos (funcionando como líneas abiertas). Su longitud varía entre 400 y 600 m, en función al tamaño de la zona a la que se le da el servicio. En este tipo de red las tuberías que se cruzan no necesariamente se unen tal como se muestra en la figura.

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Figura 2. Red secundaria en dos planos

c) Red secundaria en bloques: En este caso las tuberías secundarias forman bloques que se conectan con la red primaria solamente en dos puntos y la red principal no recibe conexiones domiciliarias. La longitud total de las tuberías secundarias dentro de un bloque normalmente es de 2,000 a 5,000 m. A su vez, la red secundaria dentro de un bloque puede ser convencional (figura 3) o en dos planos (figura 4).

Figura 3. Red secundaria convencional en bloques

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Figura 4. Red secundaria en bloques y en dos planos

9.4. Presiones requeridas y velocidades de flujo en la red El buen funcionamiento de un sistema de distribución se juzga con base en las presiones disponibles para un gasto especificado. Las presiones deberán ser lo suficientemente altas para cubrir las necesidades de los usuarios. Además, se debe observar que cuando la presión es excesiva se incrementa las fugas, lo que implica un costo no recuperable. Las presiones que se han de mantener en cualquier punto de la red deben permitir el suministro de una cantidad razonable de agua en los pisos más altos de las casas y fábricas y en los edificios comerciales.

En el proyecto, las presiones resultantes se calculan con relación al nivel de la calle en cada crucero de las tuberías primarias o de circuito. La presión mínima debe ser de 10 metros de columna de agua, que equivale a 1.0 kg/cm2. La presión máxima deberá ser de 50 m de columna de agua, que equivale a 5.0 kg/cm2. En caso de abastecimiento de agua por piletas, la presión mínima será 3.50 m a la salida de la pileta. Para el cálculo de la presión máxima se partirá de la elevación máxima del agua en el reservorio. Las velocidades en la red deben estar comprendidas entre 1.2 y 1.8 m/s, sin embargo estas se deben ajustar en cada caso particular.

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En localidades que presentan cambios bruscos de su topografía, es común dividir el sistema de distribución en dos o más zonas de servicio, una zona de presión alta y una zona de presión baja. Con esto se evitan las presiones excesivas en las zonas bajas cuando se requieren mantener al mismo tiempo presiones razonables en las zonas altas. Normalmente se interconectan los sistemas para casos de emergencia. 9.5. Diseño de sistemas de distribución ramificados 1. Se divide la ciudad en zonas de distribución, atendiendo al carácter de las mismas en: residencial, comercial e industrial. Resulta práctico colorear las zonas con un color distinto para cada clase, con el fin de localizarlas rápidamente durante el diseño. 2. Se procede a un trazado tentativo, que tenga un conducto principal, que se ramifique para conducir el agua a cada zona o grupo de zonas de distribución y se anotan las longitudes de cada tramo de tubería, que se obtendrán con el uso de un escalímetro. 3. Se determina el coeficiente de gasto por metro de tubería, dividiendo el gasto máximo horario entre la longitud virtual de toda red. El concepto de “longitud virtual” se usará exclusivamente para definir qué gasto ha de circular por cada tramo de tubería al cual se le denomina gasto propio. Así por ejemplo, resulta evidente que un tramo de tubería que abastezca predios por un solo lado, como A-B de la siguiente figura, deberá conducir menos gasto que el tramo C-D, ya que este último abastece de agua a predios ubicados a cada lado del mismo. Si se trata de una zona con población uniformente distribuida, resulta que en el tramo C-D conducirá el doble de gasto que el tramo A-B. Correlacionando gastos con longitudes, es como si el tramo C-D, tuviera una longitud del doble de la del tramo A-B, siendo que en realidad, los dos tramos miden lo mismo. De acuerdo con este razonamiento expresamos que el tramo C-D tiene una longitud real de 100 m, pero que virtualmente (existencia aparente y no real) tiene una longitud de 200 m. Para el tramo AB, que solo abastece predios por un solo lado, la longitud real es igual a la longitud virtual. En resumen: a. Para líneas de alimentación LVIRTUAL =0 b. Para tuberías que abastecen de agua a predios localizados a un solo lado de la línea: LVIRTUAL = LREAL c. Para tuberías que abastecen de agua a predios localizados a ambos lados de la línea: LVIRTUAL = 2*LREAL Sumando las longitudes virtuales tramo a tramo de la red, se obtiene entonces el coeficiente de gasto por metro de tubería q, con la expresión siguiente:

  ∑ 

Donde: q = coeficiente de gasto por metro: l/s*m Q MH = gasto máximo horario

∑ 

= sumatoria de las longitudes vir tuales de cada tramo de la red: m.

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Figura 5. Tramos que abastecen predios a un solo lado (A- B) y a ambos lados (D-C) de la tubería

4. Se numeran los cruceros que se tengan en la red 5. Se calculan los gastos propios de cada tramo de la red, multiplicando el coeficiente de gasto “q” por la longitud virtual del tramo de tubería.

Q PROPIO = q*LVIRTUAL 6. Se efectúa el cálculo de los gastos acumulados por cada tramo de tubería, comenzando desde el más distante al más cercano al depósito de regularización, sumando, cuando sea necesario, los gastos de los tramos secundarios. 7. Se determina el diámetro de los distintos o secciones del conducto, haciendo uso del gasto acumulado que deben conducir, considerándolo concentrado en el extremo o nudo terminal. A partir de la expresión se tiene:

                √ 

Considerando una velocidad de flujo de 1.2 m/s Donde: D = Diámetro: m Q = gasto acumulado del tramo: m3/s

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Ó el diámetro puede ser expresado como:

  √ 

Donde: D = Diámetro de la tubería: pulgadas Q = gasto acumulado del tramo: L/s El diámetro obtenido con esta última expresión, por ser teórico, debe ajustarse al diámetro comercial más próximo. 8. Se determina el nudo de la red con la presión más desfavorable. Este puede ser aquel al que para llegar se requiere consumir la mayor pérdida de carga y que a la vez exista la presión requerida (entre 1.5 y 5 kg/cm2). En general, son puntos de presión desfavorable: a. Los puntos más distantes al tanque regularizador. b. Los nudos de nivel topográfico más alto. c. Los más distantes y más altos, simultáneamente. El que presente mayor pérdida de carga será el punto más desfavorable que gobierna el diseño. Las pérdidas de carga pueden calcularse con la fórmula de Manning o con la fórmula de Hazen Williams. Si este primer diseño no cumple con las presiones requeridas, se procede a rectificar el diseño, variando los diámetros necesarios o, si es posible, elevando el tanque regularizador. 9. Se procede a situar las válvulas de seccionamiento: en general, 3 en las interacciones de 4 tuberías y 2 en las intersecciones de 3 tuberías, sin embargo, para cada proyecto se recomienda estudiar con todo cuidado la situación de las válvulas procurando utilizar el menor número posible de estos accesorios. 10. Una vez terminado el diseño, se procede a dibujar el plano definitivo de la red de distribución, donde debe aparecer: a. Diámetro y longitudes. b. Piezas de conexión, válvulas, etc. c. En cada nudo un círculo de con los siguientes datos:

La simbología usada en los proyectos para presentar los planos:

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Figura 6. Dirección de los empujes y forma de colocar los atraques

11. Se hace una lista de diámetros y longitudes de tubería por cada diámetro, piezas especiales, válvulas,etc. 12. Muchas veces es necesario hacer planos de detalles de las conexiones en los cruces de calle, para estudiar debidamente las combinaciones de piezas que resulten más económicas. 9.6.

Diseño de sistemas de distribución en mallas El diseño de un sistema de distribución en mallas, tiene el siguiente análisis: 1. Obtener un plano topográfico del área a ser servida, escala 1: 2000 con curvas de nivel equidistantes 0.50 m o por lo menos con cotas en las intersecciones de la calles presentes y futuras. 2. Basado en la topografía, seleccione la posible localización de los tanques de regularización. Si el área a ser servida es muy grande puede dividirse en varias subáreas con sistemas de distribución separados. 3. Disponer un esqueleto de red de distribución en malla que muestre la o las líneas de alimentación. 4. Estime el gasto máximo horario para el área o para cada sub-área, según sea, teniendo en cuenta el crecimiento futuro. 5. Asigne una dirección al flujo en las tuberías y calcule el gasto propio de cada tramo de tubería utilizando el criterio de la longitud virtual. Cuando se considera un consume uniforme, el gasto propio se estima empleando un caudal unitario, es decir, por metro de longitud de tubería, que resulta de dividir el gasto máximo horario total demandado por la población entre la longitud virtual total de los circuitos principales. Si se consideran zonas de distintos consumos, se calcula según su amplitud a partir de un gasto por unidad de área, distinto para cada zona de consumo. 6. En forma ficticia, suponer que se interrumpe la circulación del agua en unos tramos para formar una red abierta, con el objeto de definir perfectamente cuál tubería alimenta a otras. Así se llegan a definir puntos en los que ya no existen posibilidad de alimentación a otros tramos, los cuales reciben el nombre de “puntos de equilibrio”.

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7. Acumular los gastos propios calculados en el paso 5 en sentido contrario al escurrimiento, partiendo de los puntos de equilibrio hasta llegar al punto de alimentación a la red. 8. Estimar el diámetro de las tuberías utilizando el gasto acumulado en cada tramo y la ec. De la sección 9.6. 9. Analizar los gastos y presiones en la red de distribución. Un análisis por separado debe efectuarse para cada sub-área. 10. Ajuste el diámetro de las tuberías para corregir irregularidades de presión en la red. 11. Con los diámetros ajustados reanalice la capacidad hidráulica del sistema. 12. Añada las tuberías secundarias o de relleno. 13. Localice las válvulas necesarias. 14. Prepare los planos de diseño final. 9.7.

9.8.

Análisis hidráulico de sistemas de distribución El propósito del análisis hidráulico de un sistema de distribución es estimar gastos (incluyendo su dirección) y la distribución de presión asociada que se desarrolla dentro del sistema. Se dispone de varios métodos para este análisis entre los cuales se tienen los siguientes: 1. Relajación: Es un procedimiento de ensayo –error en el que se aplican correlaciones sistemáticas a: - Un conjunto de gasto inicial asumido. - Un conjunto inicial de cargas asumidas, hasta que la red esté balanceada hidráulicamente (por ejemplo Hardy –Cross). 2. Seccionamiento: La mallas del sistema de distribución se corta en una serie de seccione, y la capacidad de las tuberías se compara con la demanda de aguas abajo del corte. 3. Tubería equivalente: Las tuberías en la red de distribución se reemplazan con una tubería sencilla de capacidad equivalente. 4. Método del círculo: Las tuberías se un sistema de distribución tributarias a un hidrante central o grupo de hidrantes, se cortan con un círculo y se evalúa la capacidad de las tuberías para cubrir la demanda. 5. Análisis en computadora digital: Se escriben algoritmos para resolver las ecuaciones básicas para el análisis de una red de tubos. Los algoritmos de resuelven usando computadora. También se dispone de programas comerciales para resolver estos problemas. 6. Analogía eléctrica: El equivalente de distribución es modelado con componentes eléctricamente equivalentes. Por ejemplo, resistentes no lineales se usan para simular la fricción en tuberías. Si la corriente entrante y saliente son proporcionales al flujo de agua, entonces las pérdidas de carga serán proporcionales a la caída de voltaje. Tipos de redes Dependiendo de la Topografía y la Planimetría de la localidad, el gasto por distribuir ( en todos los casos debe ser el gasto máximo para la hora de mayor consumo), la ubicación del

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tanque de regularización con relación a la superficie del suelo y la propia red, así como la procedencia del agua, la distribución puede adoptar diferentes tipos y formas. En cuanto a los tipos, es la planimetría de la localidad un factor predominante para la selección, jugando la Topografía de la zona también un papel importante al respecto. 9.8.1. Redes abiertas o ramificadas Consiste básicamente de una tubería principal que se instala en la zona de mayor consumo, disminuyendo de diámetro a medida que se aleja de la fuente o del tanque de regularización, de esta tubería parten otras de menor diámetro llamadas secundarias o de relleno para completar la red, esta red tiene la forma de esqueleto de pescado. Se recomienda para localidades pequeñas, donde la población es muy dispersa (rancherías, localidades rurales, etc.), donde no sea necesario instalar tuberías en todas las calles, cuando la Topografía y el alineamiento de las calles no permiten la formación de envolventes (circuitos). Las tuberías principales se calcularán con el gasto acumulado que les corresponda a partir del gasto máximo horario.

Figura 7. Red Abierta ( tubería Principal y Ramales, longitud de calle e indicación de los cruceros con números arábigos).

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Figura 8. Partes que integran la r ed de distribución.

9.8.2. Redes cerradas de circuito o de circulación continua Para el diseño hidráulico de las tuberías de redes cerradas se deben considerar los siguientes aspectos: - El caudal total que llega al nudo debe ser igual al caudal que sale del mismo. - La pérdida de carga entre dos puntos por cualquier camino es siempre la misma. En las redes cerradas se podrán considerar los siguientes errores máximos: - 0.10 m.c.a. de pérdida de presión como máximo en cada malla y/o simultáneamente debe cumplirse en todas las mallas. - 0.10 L/s como máximo en cada malla y/o simultáneamente en todas las mallas. Las redes cerradas no deben tener anillos mayores a 1 km por lado. - Preferentemente las pérdidas de carga en tuberías principales y secundarias deben esta alrededor de 10 m/km. a. Método de Hardy Cross Es un método de aproximaciones sucesivas por el cual se realizan correcciones sistemáticas a los caudales originalmente asumidos (caudales de tránsito por las tuberías) hasta que la red se encuentre balanceada. En un nudo cualquiera de una red cerrada, la sumatoria de caudales que entran (afluentes + ) a un nudo es igual a la suma de caudales que salen (efluentes - ) del nodo, también la suma de pérdidas a través de una red cerrada es igual a cero.

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Figura 9. Esquema de la ley de continuidad de la masa en los nudos

Donde:

              A cada gasto Q 1y Q 2 corresponden pérdidas de carga H 1y H2 respectivamente, las pérdidas en función del gasto están dadas por:

      

Para, la ec. De Darcy – Weisbach, n =2 y K:

Donde: K = es una constante que depende de la tubería n = es una constante común en todas las tuberías; 1.85 cuando se aplica Hazem William, 2.00 si se usan Manning. Para el cálculo de las pérdidas se puede aplicar cualquiera de las formulaciones existentes (por ejemplo, podemos emplear Hazen - Williams):

             Donde:

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-

V: velocidad : m/s R: radio hidráulico: m H: pérdidas : m/m Q: caudal : m3/s D: diâmetro: m n2: coeficiente de H-W

La perdida de un tramo Lu:

  

Cálculo del error en la pérdida de carga de cada circuito teniendo en cuenta el sentido de los caudales (dándoles signo), es decir, sumando las correspondientes a las corrientes que circulan según las manecillas del reloj y restando las supuestas en sentido contrario

        Si, H1 =H2, entonces: H1 - H2 =0, no obstante en un primer ensayo es que H1 - H2 ≠0. Por tanto debe aplicarse una corrección a valores iniciales Q 1 y Q 2; así por ejemplo, si H1
 ( )   ( ) 

Desarrollando los binomios:

 (   )  (   ) 167


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Por tanto, generalizando la expresión se tiene:

 ∑∑

Si se usa la ec. De Hazem Williams queda:

Y aplicando la ec. De Manning:

 ∑∑   ∑∑ 

El número de correcciones que debe hacerse depende de la aproximación del gasto distribuido en la primera estimación y del grado de exactitud deseado en los resultados. b. Método de la tubería equivalente En un sistema de red hidráulica, se deben balancear los gastos en cada intersección y las sumas de pérdidas de carga entre dos puntos cualesquiera del sistema deben ser las mismas, cualquiera que sea la ruta por la que se desplace el agua. En la solución de problemas específicos se comprende generalmente, en primer lugar, la simplificación de disposiciones intrincadas y su combinación en una o más líneas equivalentes. Ejemplo. Se recomienda sustituir el circuito AD con una sola longitud equivalentes de tubería de 24 pulg. (610 mm) con un valor de C = 100. Determinar la pérdida.

Ejemplo: Para la red mostrada en la figura, encontrar: a. El diámetro de la tubería equivalente (A-D) de la línea A-B-D. b. La longitud equivalente de la línea A-C- D si se coloca sólo tubería de 8”. c. El gasto que puede conducir la tubería A-C- D (con un diámetro de 10”) de tal manera que sus pérdidas en el punto D sean iguales a las de la línea A-B-D.

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c. Análisis por computadora La mayor parte de las redes de distribución se analizan en la actualidad usando programas de computadora. Al diseñar un programa que resuelva problemas de redes de flujo, deben satisfacer las siguientes ecuaciones simultáneamente a través de la red. En cada nudo o crucero:

∑  ∑

Para cada circuito completo:

Para cada tubería:

 

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Ejemplo: Para el esquema de redes mostrado, cada nudo tiene las siguientes áreas de influencia:

La densidad poblacional para la zona alta y media es 220 y 180 hab/Ha, respectivamente. La cobertura para la zona alta y media es 95% y 85%, respectivamente. Las dotaciones para la población servida y no servida es 250 y 50 Lphd. El coeficiente de variación horaria es 1.80. Determinar: a. Datos necesarios para el diseño hidráulico. b. Presiones en cada nudo de la red. Bibliografía - Arrocha R, Simón. 1980. Abastecimiento de agua: Teoría & Diseño. - Fair, G.; Geyer, J; Okun, D. 1980. Abastecimiento de Aguas y Remoción de Aguas Residuales. - Rodríguez Ruíz, Pedro. 2001. Abastecimiento de aguas.

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