UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA Departamento de Recursos Hídricos
CURSO Estructuras Hidráulicas I UNIDAD UNIDAD 10.- DISEÑO DE SIFONES
Resumen de Notas de Clases. Ing. Teresa Velásquez Bejarano Docente Principal del DRA DRAT-FIA T-FIA
Ing Teresa Velasquez B.
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DISEÑO DE SIFONES INVERTIDOS
1.0 Características • Son estructuras que se usan para
el pase de descargas en obstáculos como quebradas o ríos. • También puede ser posible
conducir el flujo bajo estas circunstancias con un acueducto , pero la experiencia concluye que para caudales mayores de 3.5 m3/s. Es más económico el uso del sifón.
Ing Teresa Velasquez B.
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DISEÑO DE SIFONES INVERTIDOS
1.0 Características • Son estructuras que se usan para
el pase de descargas en obstáculos como quebradas o ríos. • También puede ser posible
conducir el flujo bajo estas circunstancias con un acueducto , pero la experiencia concluye que para caudales mayores de 3.5 m3/s. Es más económico el uso del sifón.
Ing Teresa Velasquez B.
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DISEÑO DE SIFONES INVERTIDOS •
El sifón se encuentra determinado por el perfil del terreno y dos transiciones, una a la entrada y otra a la salida.
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DISEÑO DE SIFONES INVERTIDOS •
El Sifon trabaja basándose en el fundamento de los vasos comunicantes equilibrando volúmenes.
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2.0 Ventajas y Desventajas Ventajas: . Costo de construcción , mantenimiento y operación
. Es una estructura versatil que se adapta a todo tipo de situaciones en inclusive. Desventajas: . Se requiere una diferencia de carga. . Se requiere un buen sostenimiento de la tuberia de presion sobre el suelo donde es su recorrido. . Existe la posibilidad de que se colmaten sedimentos en la tuberia y por lo cual se debe de preveer colmatados una valvula de purga.
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3.0 Requerimientos • Los sifones que crucen vías de
•
•
•
•
comunicación deben ser protegidos con una cobertura de suelo compactado con una altura mínima de 0.9 m. En lugares apartados la altura de protección puede ser puede solo 0.60 m o considerarse descubiertos. Los sifones que crucen canales de drenaje requieren un mínimo de protección de 0.90 m. o mas en caso de visualizar erosión potencial. Los sifones que crucen canales de Tierra deben de considerar un mínimo de protección de 0.60 m. Los Sifones que crucen canales revestidos deben de considerar un mínimo de 0.15 m. Ing Teresa Velasquez B.
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PARTES DE UN SIFON INVERTIDO
ENTRADA Transición
TUBERIA DEL SIFON
SALIDA Transición
“Fuente: “Design of Small Dams y Small Canal Structures”. Bureau of Reclamation . Ing Teresa Velasquez B.
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PERFIL PRELIMINAR DE UN SIFON INVERTIDO
Fuente: “Design of Small Dams y Small Canal Structures”.
Bureau of Reclamation.
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4.0 Consideraciones para el Diseño Hidráulico.
a.
Carga Hidráulica
La suma de todas estas pérdidas ocurridas en la estructura , es aproximadamente la diferencia en la Elevación de la Línea de Energía aguas arriba y aguas abajo del Sifón ( H ), se debe de considerar un incremento de 10% por seguridad. • El tamaño del sifón está determinado por la carga Hidráulica disponible , velocidades y rentabilidad económica. • Al inicio del diseño del sifón, es necesario asumir las dimensiones internas y calcular las pérdidas de carga en la entrada , fricción en el conducto cerrado, curvas, cambios de dirección y salida. •
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b. Bordo Libre en los canales de acceso Los canales de acceso al sifón deben de considerar un incremento de 50% en la altura del bordo libre ( mínimo 0.30 m. ) calculado para las descargas de conducción que ingresan al conducto. Esta consideración debe de ser aplicada hasta una distancia mínima de 15 m. aguas arriba de la estructura de entrada al Sifón para prevenir posibles desbordes de agua por maniobras realizadas en el Sistema Hidráulico. Adicionalmente a esta consideración de seguridad en el canal ubicado aguas arriba del sifón se debe prevenir un desvío en caso de emergencia o reparaciones en el sifón.
Canal de acceso
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c.
Velocidades
.Los rangos adecuados de las velocidades del flujo que corre a través del sifón se encuentran entre los valores de 1.0 m/s. - 3.0 m/s , las cuales dependen de la carga hidráulica disponible y las razones económicas consideradas. . Los criterios mencionados a continuación pueden tomarse en cuenta para determinar el diámetro del sifón : b.1. En sifones cortos o pequeños con transiciones de Tierra a la entrada y salida las velocidades recomendadas son de 1.0 m/seg. En sifones cortos o pequeños con transiciones de concreto o similar a la b.2 entrada y salida las velocidades recomendadas son de 1.5 m/seg. b.3 En sifones relativamente largos y con transiciones de concreto o similar a la entrada y salida las velocidades recomendadas son de 3.0 m/seg.
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d. Transiciones . Las estructuras de transición se deben considerarse a la entrada y salida del Sifón, . Las estructuras de conducción que conducen las descargas hacia el sifón pueden considerarse canales de Tierra , Concreto u otro material similar . . Hay situaciones donde necesariamente las estructuras de conducción hacia el sifón requieren ser construidas con materiales de Concreto ó material similar , tal es el caso de las siguientes condiciones : a. Sifones cruzando carreteras de gran velocidad. b. Sifones con diámetro 0.90 m. ó mayores. c. Sifones con velocidades en la tubería mayores de 1.067 m/s.
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e. Estructuras de Descarga para limpieza der sedimentos Son ubicadas en el punto mas bajo del Sifón a fin de permitir el drenaje y limpieza de la tubería. También se utilizan para realizar inspecciones y / o mantenimiento de la estructura. • • •
Para este tipo de descarga generalmente se coloca una válvula de metal en la base del sifón. Para el caso de Sifones pequeños se puede obviar este aditamento , sin embargo se debe de recomendar que la limpieza se realice con bombeo. Para el caso de sifones de grandes dimensiones, diámetros de 0.90 m. o mayores , es necesario considerar una entrada hacia la estructura del sifón con las dimensiones suficientes para que pueda accesar personal al interior del o los conductos.
Valvula de descarga
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5.0 Procedimiento de Diseño •
Determinar el Tipo de estructura de transición de entrada y salida es requerido para el diseño.
•
Realizar una distribución en Planta del Diseño preliminar del Sifón sobre el Plano Topográfico.
•
Esta distribución preliminar proveerá los requerimientos de cobertura , pendiente , cambios de dirección verticales y horizontales , las estructuras de transición , diámetro del conducto.
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5.0 Procedimiento de Diseño •
Calcular las pérdidas de carga en el Perfil y Planta preliminar del sifón.
•
Si las pérdidas calculadas son mayores que la diferencia de carga aguas arriba y aguas abajo del sifón, este posiblemente puede causar un remanso aguas arriba.
•
Si las pérdidas calculadas son apreciablemente menores que la diferencia de carga aguas arriba y aguas abajo del sifón , se podría disminuir las dimensiones de la tubería .
La suma de todas estas pérdidas ocurridas en la estructura , es aproximadamente la diferencia en la Elevación de la Línea de Energía aguas arriba y aguas abajo del Sifón ( H ), se debe de considerar un incremento de 10% por seguridad.
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Cálculo hidráulico de un sifón Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue: Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de energía especifica: Donde: Z i : carga de posición Vi 2 /2g: carga de velocidad ΔH: carga hidráulica
Se debe de cumplir que la AH debe de ser mayor a la suma de todas las pérdidas que se generen en el sifón.
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2
La suma de todas estas pérdidas ocurridas en la estructura , es aproximadamente la diferencia en la Elevación de la Línea de Energía aguas arriba y aguas abajo del Sifón ( H ), se debe de considerar un incremento de 10% por seguridad. Ing Teresa Velasquez B.
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Funcionamiento del sifón El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos Energía en 1 y 2: 1
Otras formulas: 2
Polikouski y Perelman 3 Donde: vt : velocidad media en la tubería (m/s), D: diámetro de la tubería de acero (m). El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a17 las pérdidas totales
Válvula de purga de agua y lodos
Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite evacuar el 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.
VALVULA DE PURGA
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Proyectos de Diseño de Sifones invertidos
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Central Hidroelectrica Mayush- Cuenca del Rio Pativilca.
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Central Hidroelectrica Mayush- Cuenca del Rio Pativilca.
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Central Hidroelectrica Cahua- Cuenca del Rio Pativilca.
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Diseño Hidraulico Del Sifon Ccochanccay
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Objetivos : La construcción del Sifón Ccochanccay para conducir un caudal de 1.25 m / seg de agua, que cruce el cañón Ccochancay,en dirección de la quebrada Ccoccen; con el objetivo de incrementar el área agrícola de Puquio y el anexo de San Andrés a 2000 Has. 3
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DISENO HIDRAULICO DEL SIFON • Con la información topográfica de las
curvas de nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y dimensiones de la sección del conducto mas económica y conveniente
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Carga disponible • El sifón funciona por diferencia de cargas. • Para el sifón analizado, las secciones del canal a la
entrada y salida serán rectangulares. • Las pendientes 0.002, en ambos tramos. H
= E1 - E2 = z1- z2 = 3487.342 - 3478.76 = 8.582m
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Cálculo del diámetro de Ia tubería •
Caudal de diseño 1.25 m3/seg
• Velocidad de 3.6 m/s, próximo al intervalo entre 2.5 y 3.5 m/s (se acepta porque se evita el depósito de sedimentos en el fondo del conducto. m =26“ (0.66 m.) • Se asumio 4 x1.25 3
D
4 xQ
s
V
3.6
m
0.66m
s
Caudall 1.25 vt
m
3
s
0.3425 m
2
3.6492
m / s
Area del conducto l 27
Con =26“ (0.66 m.) las características hidráulicas son: • Su área hidráulica será: A
0.6604
2
m
2
• Su perímetro mojado:
0.3425 m
4
P = 0.6604 = 2.0747 m
• Su radio hidráulico: R
2
A
P
0.3425 m 2.0747 m
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0.1651 m
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2
• Con velocidad 3.6 m/seg se calcula el
Numero de Reynolds. Re
vt D aguas
3.6492
m s
10
* 0.6604 m 6
m2
2.409 *10
6
s
• Se trata de un régimen de flujo turbulento
pero aun es aceptable la velocidad
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• En entrada y salida de la tubería de presión, se
asume que el caudal sera conducido a traves de un canal rectangular, de dimensiones 1.3 m de solera y un 0.74 m de tirante, será: vcr
1.25
Q
Acr
m3 s
1.3mx 0.74 m
1.299
Donde: Vcr = velocidad en el Canal rectangular Acr = área mojada del canal rectangular
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m s
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FORMULAS DEL SIFON
Otras formulas:
Polikouski y Perelman Donde: vt : velocidad media en la tubería (m/s) D: diámetro de la tubería de acero (m) El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a31 las pérdidas totales
Camara de entrada del Sifon Según lo calculado:
=26“ (0.6604 m.)
Por lo tanto: H min
1.78
0.676 2
1.442 m...bien
Verificar Hmin con formulas
32
• La altura mínima de ahogamiento a la
entrada Hmin=3/2 (v2/2g)
2
H min
3
m s ) 1.018 m
( 2
2 * 9.81
m s
3.6492 H min
VELOCIDAD
3.6492 ²
0.5 * 0.66 m(
VELOCIDAD
m s
2 * 0.66
) 0.55
0.62 m
Hmin=0.5 d v /(2d)1/2
DIAMETRO TUBERIA
Hmin = 0.3 * 3.6492
m
0.66
0.89 m
s
H min Hmin=0.3 v (d)1/2 VELOCIDAD
Ing Teresa Velasquez B.
1 .78
0.676 2
1 .442
m...bien
DIAMETRO TUBERIA
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Camara de salida del Sifon • La altura mínima ahogamiento en la
salida comparando los resultados anteriores serán: • Hmin = 1.018 m • Hmin = 0.62 m • Hmin = 0.89 m H min
1.70
0.71 2
1.345 m.....bien
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Calculo de las perdidas Hidráulicas Las principales perdidas de carga que se presentan son : • Perdida de entrada y salida • Perdidas en la rejilla • Perdidas por friccion en el conducto • Perdida por cambio de direccion en los codos
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• El caudal de diseño que transportara
el Sifon es de 1.25 m 3/seg en una tuberia de 26’’ (0.6604m) de diametro. • El desnivel del sifon es de 8.582 m. • cota de entrada es 3487.342m.s.n.m. y en la salida 3478.760m.s.n.m.
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Cálculo de las pérdidas hidráulicas en la transicion • •
he =
0.1
hs = 0.2
(v12
2
vcra )
2 g
0.1
2 (v12 vcrb )
(3.6492 ² 1.299 ²)
2 x9.81
2 g
0.2
0.0593 m
(3.6492 ² 1.299 ²)
2 x9.81
0.1185 m
donde: he = pérdidas por transición de entrada • • hs = pérdidas por transición de salida V1 = velocidad en el sifón • Vcra = velocidad en la sección del canal rectangular (aguas arriba) • Vcrb = velocidad en la sección del canal rectangular (aguas abajo) • Ing Teresa Velasquez B.
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Cálculo de las pérdidas hidráulicas en la rejilla
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• Cuando la estructura consta de bastidores de
barrotes y rejillas para el paso del agua, las pérdidas originadas se calculan con la ecuación: H2 = K v 2
n
2 g
• Las soleras de la rejilla son 9 y tiene dimensiones de 2” x 1 m x ¼” (0.051 m x 1m x
0.0064 m) separadas cada 0.1 m. El área neta por metro cuadrado: 1
An
1mx1m 9 x(1mx 0.0064 m)
0.942 m2 / m2 39
• =26“ (0.66 m.) • Como el área hidráulica (área bruta) de la
tubería es 0.34253 m2 A
0.6604
2
m
2
0.3425 m
2
4 1
An
1mx1m 9 x(1mx 0.0064 m)
0.942 m2 / m2
• Area neta en la tubería An
0.942 x 0.34253
0.3227 m
Ing Teresa Velasquez B.
2
40
Área neta en la tubería paso entre rejillas An
0942 x0.34253
Entonces:
An
0.3227 m
0.3227
2
m2
A g
Area neta Tuberia Paso entre rejillas
0.3425 m 2
2
0.9422
Area bruta de la tuberia
An An 1.45 0.45 x0.9422 0.9422 ² 0.1383 k 1.45 0.45 A A g g Donde: • K = coeficiente de pérdidas en la rejilla • An = área neta Tuberia paso entre rejillas • Ag = área bruta de la Tuberia Ing Teresa Velasquez B.
2
H2 = K
vn
2 g
41
• Verificando velocidad con Area neta vn
1.25
Q
An
0.3227
3.8736 m / s
Vn = velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica.
• Finalmente las pérdidas por entrada y por
salida por rejilla son: K= 0.1383 2h2
2 x 0.1383
2
3.8736² 2 x9.81
0.2115m
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H2= K
vn
2 g
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Perdidas de carga por entrada al conducto h3
K e
v2 2 g
• Donde: • v = velocidad del agua en el barril • Ke = coeficiente que depende de la forma de
entrada Para entrada con arista ligeramente redondeada Ke = 0.23 2
h3
3.6492 0.23 2 x9.81
0.1561 m
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Pérdidas por fricción en el conducto • Utilizando la formula de Hazen Williams para una
longitud de tubería de 379.60 m resulta: vt h f 0.8508 xCxR
0.63
1.8 5 1 8
3.6492 L 0.8508 x115 x0.1651
1.8 5 1 8
0.63
x379 .60
7.029 m
Donde: R: radio hidráulico C= 115: coeficiente de rugosidad relativa tomando las tablas de tuberías de acero usadas para valores de Hazen Williams Utilizando la fórmula de Darcy Weisbach y considerando una rugosidad f para el acero en el rango de 0.014-0.018 L V ² 379 .60 3.6492 ² 0.018 7.027 m hf f D 2 g 0.66 2 * 9.81 Ing Teresa Velasquez B.
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Pérdidas de carga por cambio de dirección o codos • Una formula muy empleada es: n
hcd k c 1
v²
90 º 2 g
= angulo de deflexión Kc = coeficiente para codos comunes = 0.25
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45
hcd
0.25 x0.8652
3.6492 ² 2 x9.81
Ing Teresa Velasquez B.
0.14681 m
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• La suma de todas las pérdidas producidas en el sifón es:
h totales= perdidas = 0.0593 + 0.1185 + 0.2115 + 0.1561 + 7.029 + 0.1468 = 7.7212m Mas 10% por seguridad: 7.7212* 1.1 = 8.492
El desnivel del sifon es de 8.582 metros cota de entrada es 3487.342m.s.n.m. y en la salida 3478.760m.s.n.m.
Ing Teresa Velasquez B.
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Conclusiones La carga hidráulica disponible supera a las pérdidas totales en el sifon. H = 8.582 m > perdidas = 8.492 m Por lo tanto se demuestra que el sifón está correctamente diseñado
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