INTRODUCCIÓN.
El agua es un elemento esencial para la vida, con el pasar de los años los avances técnicos le permitieron al hombre transportar y almacenar el agua, así como extraerla del subsuelo, por lo cual los asentamientos humanos se han esparcido lejos de ríos y de otras fuentes superficiales de agua. Actualmente, su uso en las poblaciones es diverso, como lo es para consumo humano, en el aseo personal, y en actividades como la limpieza doméstica y en la cocción de los alimentos. De la misma forma que ha evolucionado el uso del agua, lo ha hecho el término "abastecimiento de agua" que en nuestros días conlleva el proveer a las localidades un volumen suficiente de agua, con una calidad requerida y a una presión adecuada. Un sistema moderno de abastecimiento de agua se compone de instalaciones para la captación, almacenamiento, conducción, bombeo, tratamiento y distribución. Este último se refiere a dotar de agua al usuario para su consumo. Este documento tiene como objetivo el presentar los conceptos básicos de redes de distribución de agua, así como la metodología y recomendaciones para su diseño.
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UNIDAD 7: OB RAS DE DISTRIBUCIÓN.
7.1 TRAZO DE LA RED. 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. Los límites de calidad del agua, para que pueda ser considerada como potable se establecen en la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1 vigente. El primer paso en el diseño de la Red de Distribución de Agua Potable es la definición de su trazado en planta, para lo cual es necesario estudiar las características de la vialidad, de la topografía y de la ubicación de los puntos de alimentación y estanques.
PROYECTOS NUEVOS. No es posible dar lineamentos concretos sobre el trazado de las líneas principales y secundarias de una red, tanto si es ramificada como cerrada, pues ello depend dependee esencialmente esencialmente de la configuración de la red y de las características de las zonas a servir. No obstante, se pueden dar las siguientes recomendaciones: Las tuberías principales han de trazarse buscando el camino más corto hacia las zonas de gravedad hidráulica, es decir, de mayor consumo, con objeto de que al ser servidas directamente por esas líneas, cuyos diámetros tienen grandes capacidades de conducción, se descarguen las secundarias con la consiguiente economía de diámetros en éstas y, por tanto, del costo de la red. Las tuberías secundarias han de trazarse buscando abastecer lo más directamente posible los predios. No deben permitir el paso de volúmenes hacia otros predios sino sólo a los propios, lo que se debe traducir en menores diámetros de las tuberías. Es preferible trazar las líneas principales a través de las partes altas de la población y siguiendo la pendiente del terreno, lo último se refiere también a las líneas secundarias, (figuras 7.7 y 7.8). 2
En caso de poblaciones poblaciones lineales y estrechas en plano, es decir, que se desarrollan a lo largo de una vía principal, no cabe duda de que dicha vía es el lugar adecuado de trazo de la línea principal, sobre todo si el sistema es ramificado (figura 7.9). Si algunos núcleos laterales tienen importancia se realizará la derivación de unas líneas secundarias, buscando el centro de gravedad hidráulica de cada uno de estos núcleos. Si la anchura de la población lineal fuera importante, puede ser recomendable, en lugar de una única línea principal, disponer de dos paralelas (figura 7.10), a los dos lados del eje longitudinal, dejando en dicho eje una línea secundaria.
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Si la población se desarrolla en una ladera (figura 7.11), la solución lógica es de ubicar la entrada del agua en el centro. De este punto salen dos ramas horizontales, de las que se derivarán otras líneas que se dirigirán a los centros de consumo para servir a las líneas secundarias que se presentan dada la configuración y densidad de población urbana. En caso de ciudades de forma ancha serán preferibles las redes cerradas (figura 7.12) con circuitos principales de diámetro relativamente uniforme en los que el diámetro sea tal que asegure una alimentación suficiente en caso de interrupción en algún punto del circuito.
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Si la ciudad es grande y se prevé su rápido crecimiento fuera de la línea de su anillo periférico, la solución más recomendada sería la de la figura 7.13, con doble línea principal circular cuyos dos circuitos se unen por algunas tuberías primarias.
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En vialidades con más de 15 m de sección transversal se puede proyectar una línea primaria al centro, con doble línea secundaria, una en cada banqueta. Si en estas vías se prevén hidrantes o cajas contra incendio, éstos se ubican de un lado de la calle, conectados mediante una derivación a la línea primaria. El trazo de la red sobre el plano urbanístico se inicia en el punto de entrega de agua. Se trazan los ejes de las tuberías por las calles formando redes y se miden las longitudes de cada tramo, o sea entre cruceros y entre uniones de tramos con características diferentes. Los circuitos de la red primaria se trazan envolviendo manzanas; se recomienda que las longitudes de los tramos de esos circuitos sean de 400 a 600 m. Después de trazar los circuitos, se dibujan las tuberías de la red secundaria o de relleno en las calles intermedias. Estas tuberías deben ser capaces de conducir los gastos de diseño, pero, como generalmente resultan muy pequeños se utilizan tuberías con el diámetro mínimo.
Proyectos de rehabilitación.
Las tuberías que ya existen definen en gran medida el trazo de una red que se necesita rehabilitar. Se trazan nuevas líneas fundamentalmente en los siguientes casos: a. Para reforzar líneas que ya existen. b. Para alimentar la red con nuevos puntos de entrada de agua. c. Nuevas líneas que tienen el propósito de reducir las pérdidas de carga en la red mediante una redistribución de los gastos en los circuitos. d. Para dar servicio a nuevas partes de la población.
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7.2 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO.
Consideraciones de Diseño de la Red. Diseño geométrico de la red. Se deben plantear redes conformadas por circuitos cerrados, salvo en aquellos casos en que la traza o condiciones topográficas del fraccionamiento no lo permita. Esto último quedará a criterio del personal técnico del Organismo Operador. En todas las calles se deberá instalar doble línea alimentadora para agua potable, una por cada banqueta, en caso de que sean andadores angostos menores de 6.00 m, se aceptará una sola línea, en casos especiales deberá consultar al personal técnico del Organismo Operador. El trazo de los tramos de tubería que conformen la red, deben diseñarse en forma recta entre crucero y crucero, sin sobrepasar la deflexión que soporte la tubería.
Para determinar la Población de proyecto en fraccionamientos, deberá considerarse el cien por ciento de la ocupación de los lotes, de acuerdo a los planos de lotificación y traza autorizados por la Dirección de Desarrollo Urbano Municipal, aplicando la densidad de población asignada a cada tipo de fraccionamiento de acuerdo a la siguiente tabla.
La Dotación de agua potable se asignara a cada tipo de fraccionamiento de acuerdo a la siguiente tabla.
Los coeficientes de variación que se utilizarán para el cálculo de los gastos de diseño son los estipulados por la Comisión Nacional del Agua:
Coeficiente de variación diaria:1.40 Coeficiente de variación horaria: 1.55 7
7.3 Cálculo hidráulico de redes abiertas y cerradas Las redes de tuberías abiertas y cerradas están constituidas por sistemas de tuberías, que se entienden como un conjunto de tuberías que operan bajo las mismas condiciones hidráulicas; ejemplos de estos sistemas son las tuberías en serie y paralelo que a pesar de ser simples, pueden presentarse en algunos casos de diseño o ampliación de redes de distribución de agua potable. Tuberías en Serie: Son dos o más tuberías diferentes colocadas una a continuación de la otra, las cuales pueden diferenciarse en los diámetros o en las rugosidades (es decir estar hechas de materiales diferentes) o bien en ambas características físicas.
Tuberías en paralelo: Son un conjunto de tuberías que parten de un nodo común y llegan a otro nodo también común. En estos nodos, los gastos que pasan por cada una de estas tuberías se unen. En general, los sistemas en paralelo están limitados a 3 o 4 tuberías. Sin embargo, es más común que estén compuestos por dos tuberías. Estas pueden tener longitudes, diámetros y accesorios diferentes a la vez de estar elaboradas en materiales muy distintos.
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En la práctica de la ingeniería hidráulica las redes de tuberías son sistemas mucho más complejos que las tuberías en serie y paralelo. Ahora iniciaremos con el análisis de redes de tuberías, el cual estará basado en las ecuaciones de conservación del momentum lineal y de conservación de la masa que gobiernan el flujo en estos sistemas, tomando en consideración las pérdidas por fricción y locales. Las redes se clasifican, de acuerdo con sus configuraciones básicas, en redes abiertas y cerradas. Las redes de distribución de agua potable de una ciudad usualmente están compuestas de dos partes. La primera de ellas encargada de conducir el agua desde la planta de tratamiento hasta los diferentes tanques de almacenamiento y regularización localizados aguas arriba de los diferentes sectores del abastecimiento. La segunda parte está conformada por las redes de distribución a través de las cuales el agua potable se mueve desde tanques de almacenamiento hasta la acometida del usuario final. En general las redes que van de las plantas de tratamiento a los tanques de regularización o almacenamiento son redes abiertas, y las redes de distribución son redes cerradas en el sentido que están conformadas por circuitos. Sin embargo, puede haber casos en que las redes de distribución sean abiertas. REDES ABIERTAS Se caracterizan por no tener ningún circuito cerrado en el sistema es decir cuando las conducciones que las componen se ramifican, sucesivamente, sin intersectarse después para formar circuitos. Los extremos finales de las ramificaciones pueden terminar en un recipiente o descargar libremente a la atmósfera, los ejemplos típicos de este grupo de redes son las redes de tubos madres o líneas de distribución de agua potable. Otros ejemplos de redes abiertas son un sistema de tuberías que une una batería de pozos de agua con un tanque de abastecimiento, la red contra incendios en el interior de una edificación.
De acuerdo a los niveles de los distintos depósitos y la longitud de los tubos, se deberá conocer o suponer la dirección del gasto en los diferentes tramos.
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De la ecuación de la energía, entre el recipiente superior y los extremos de los tubos resulta entonces: (1.1)
− ( ) ∑= ℎ
Donde es el nivel de la superficie libre del agua si el tubo descarga a un depósito o bien, el nivel del centro de gravedad de la sección final, si el tubo descarga a la atmósfera; el subíndice j corresponde a las características hidráulicas en el punto j. El término = es la suma de las pérdidas de energía de los tubos que se encuentran en el recorrido, desde el punto 1 hasta el extremo j; toma signo positivo para aquellos elementos en que la dirección del gasto coincide con la del recorrido. Además, en cada punto de ramificación (nodo) se satisface la ecuación de continuidad siguiente: (1.2)
∑ ℎ
∑ 0
Y se establece como convención que los gastos que lleguen al nodo tengan signo negativo; y positivo los que salgan del nodo. Si el problema es de revisión, el resultado será un sistema de tantas ecuaciones, del tipo (1.1) como extremos finales tenga la red; y de tantas ecuaciones del tipo (1.2) como nudos existan. Debemos tomar en cuenta para el diseño de tuberías que una vez que se fija una altura piezométrica en alguno de sus nodos, el diseño resultante queda condicionado a dicha suposición. Por consiguiente para el diseño de sistemas de tuberías no se debe fijar nunca una altura sin hacer uso de una función de optimización. El no tener una función objetivo de este tipo puede llevar a diseños que cumplan con las restricciones hidráulicas pero que no sean o estén cerca de óptimos económicos. También con el fin de llegar a un diseño óptimo de una red abierta, que es aquél de costo mínimo en valor presente neto teniendo en cuenta tanto los costos de inversión inicial como los de operación y mantenimiento a lo largo del período de diseño del proyecto, se debe utilizar una función objetivo. Se debe tener cuidado en el diseño de redes abiertas, debido a que en los extremos de sus ramas se pueden formar puntos de estancamiento, donde se puede producir crecimiento bacteriano y sedimentación. Además de que en caso de ser necesaria algún tipo de reparación, los usuarios que se encuentren aguas abajo de la red se quedarán sin servicio mientras dure la reparación, sin posibilidad de abastecimiento por otro punto de la red. BOMBAS EN REDES ABIERTAS Una forma de aumentar la capacidad de una red abierta es colocar una bomba en alguna de sus tuberías, aprovechando el hecho de que los gastos en las conducciones principales pueden ser tratados como constantes; es decir, en
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tuberías principales el gasto debe corresponder a un flujo permanente, con una magnitud igual al gasto medio diario de consumo. REDES CERRADAS Se conoce como red cerrada a aquella en la cual los conductos que la componen se cierran formando circuitos. El objetivo es tener un sistema redundante de tuberías, es decir, cualquier zona dentro del área cubierta por el sistema puede ser alcanzada simultáneamente por más de una tubería, aumentando así la calidad del abastecimiento, ya que el agua puede llegar por más de una tubería al mismo nodo. Es este el tipo de red que usualmente conforma el sistema de distribución de agua potable en una ciudad. La solución de una red cerrada se basa en 2 tipos de ecuaciones: la de nodo y la de pérdida de energía. a) Ecuación de nodo: Por razones de continuidad de acuerdo a la ecuación 1.2 en cada nodo se debe satisfacer que:
∑ 0 1,… , ℇ (1.3)
Donde: Qij es el gasto que va del nudo j al nodo i (negativo si llega al nudo i positivo si sale); Qi es el gasto que sale o entra al nodo i (con la misma convención de signos). El símbolo j ε i se lee: “Para todos los nodos j conectados al i a través de un tubo”
b) Ecuación de pérdida: La pérdida por fricción en cada tramo está dada por la fórmula de fricción correspondiente, donde al substituir la velocidad expresada por la ecuación:
4 Resulta:
ℎ (1.4) Donde es una constante del tramo ij. Por ejemplo si la fórmula de fricción usada es la de Darcy-Weisbach, se tiene: ℎ 8 5 Esto es N=2 y
8 5
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7.3.1 MÉTODO DE HARDY-CROSS CON CORRECCIÓN DE GASTOS El método original se basa en suponer los caudales en cada uno de los tubos de la red e ir corrigiendo esta suposición. Dado que se conocen todas las características de la tubería, el método es un proceso de comprobación de diseño. Este método intenta resolver el sistema de ecuaciones basándose en los siguientes principios: A. Sólo se considera la ecuación de un circuito a la vez. B. El efecto de los circuitos adyacentes es despreciado, por lo que cada ecuación contiene una sola incógnita. C. Cada término de la ecuación modificada es expandido a través de series de Taylor. Se considera únicamente a los términos lineales, y los no lineales son despreciados.
∆
∆
En una red cerrada cualquiera, se eligen circuitos elementales en los cuáles se conocen los gastos que entran o salen de cada nodo. En cada nodo se satisface la Ecuación (1.3); además, la pérdida de energía entre 2 nudos de la red (cualquiera que sea el recorrido que se elige para llegar de uno a otro) es la suma algebraica de las pérdidas en cada tramo (calculadas con la ecuación 1.4). Para ello, es necesario también establecer una convención de signos, por ejemplo: la pérdida en un determinado tramo tiene signo positivo si la dirección del gasto en el tramo coincide con la del recorrido; y negativo en caso contrario.
, ,… ,
El recorrido completo en cada circuito elemental (partiendo y llegando al mismo nudo) implica que: = (1.5)
∑ ℎ 0
Donde k es el número de tramos que forma el circuito elemental. Para el recorrido de cada circuito es necesario especificar que sea siempre con el mismo sentido. La ecuación 1.5 es llamada ecuación de circuito y vale para todos los circuitos de la red.
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Para proceder a la solución, primero se estiman los gastos de los tramos, haciendo que se satisfaga la ecuación de nodo con los valores estimados y los ya conocidos. Si es una corrección atribuible a todos los tramos de un mismo circuito elemental (figura 1.5), al recorrer éste en el sentido de las manecillas del reloj la ecuación (1.5) implica que:
∆
ℎ7 ℎ57 − ℎ53 − ℎ3 77 ∆ 5757 ∆ − 53 53 ∆ − 3 3 ∆ 0 Desarrollando el binomio y en el caso general tenemos:
+∑ (1.6) ∆− ∑ ∑∑ corrección ∆ son positivos cuando su sentido coincide
Donde el gasto y la con el del recorrido del circuito en el sentido de las manecillas del reloj, o negativo en caso contrario. La iteración se realiza hasta que satisfaga la ecuación del circuito. La rapidez en la convergencia del método es muy diversa y depende, tanto de la estimación de los valores iniciales como del tipo y tamaño de la red, pero especialmente del número de tramos que se unen en cada nodo. Mientras que en redes pequeñas se alcanza una buena aproximación con 3 o 4 iteraciones, en redes grandes se pueden necesitar de 30 a 50. La computadora hace rápidamente el cálculo. Para el análisis de una red de distribución según el método de Hardy-Cross se deben seguir los siguientes pasos:
1. Se define claramente la geometría de la red, identificando en forma coherente los nodos y los circuitos. 2. Si existe más de un nodo con altura piezométrica constante (tanque en la red o embalse), es necesario conectarlos en pares por medio de tuberías hipotéticas que pueden representarse mediante líneas punteadas. En estas tuberías hipotéticas se deben suponer diámetros, longitudes y rugosidades absolutas, de tal manera que se pueda calcular el caudal correspondiente a las diferencias de nivel entre los diferentes pares de embalses o tanques. En las correcciones de gastos no deben incluirse los tubos hipotéticos, lo cual si debe incluirse en el cálculo de las pérdidas de altura piezométrica (por fricción y por accesorios). 3. Se suponen todos los diámetros de la tubería que conforman la red. Tal paso convierte este método en un proceso de comprobación de diseño. 4. Se supone que la red está compuesta por circuitos cerrados en cualquier orden. Con el fin de acelerar la convergencia se pueden suponer que los tubos de diámetros grandes forman circuitos independientes. Se deben utilizar tantos circuitos como sea necesario para asegurar que todos los tubos queden incluidos por lo menos en un circuito. 5. Se supone el gasto a partir de cualquiera de las tuberías de la red. Luego se procede alrededor del circuito que contiene esta tubería para calcular los gastos en las demás tuberías que conforman el circuito teniendo en cuenta los gastos que 13
salen de las uniones (caudales negativos) y los que entran a ellas (caudales positivos). Si los flujos hacia o desde otro circuito son desconocidos, se deben suponer los gastos correspondientes. Esto significa que se deben hacer tantas suposiciones de gastos como circuitos existan en la red que se está analizando. Cuanto mejores sean estas suposiciones, más rápidamente convergerá el método 6. Se calcula la pérdida de altura piezométrica en cada tubería de la red utilizando la siguiente ecuación ( de Darcy- Weisbach), si bien se podría emplearse cualquier ecuación de resistencia fluida, como la de Hazen-Williams
ℎ ∑ℎ ∑ (1.7) 7. Se calcula la pérdida neta de altura piezométrica alrededor del circuito, es decir, se suman las pérdidas de altura piezométrica y se restan las “adiciones” de altura piezométrica siempre medidas en el sentido de las manecillas del reloj. Si la pérdida neta de altura piezométrica no es cero, se procede a corregir los gastos de cada una de las tuberías del circuito mediante la ecuación 1.6 8. Si en alguna de las tuberías del circuito existe una bomba centrífuga, se debe restar la altura piezométrica generada por ésta de las pérdidas en la tubería antes de hacer el cálculo de la corrección de gastos. 9. Los pasos 5 a 8 se repiten para todos los circuitos teniendo en cuenta los gastos corregidos en los circuitos calculados previamente. 10. Los pasos 5 a 9 se repiten hasta que el balance de alturas piezométricas alrededor de todos los circuitos (ecuación de conservación de la energía) llegue a valores razonablemente cercanos a cero. 7.3.2 METODO DE LAS LONGITUDES EQUIVALENTES Un método no completamente exacto pero válido a efectos de estimar las pérdidas de carga localizadas, consiste en expresarlas en forma de longitud equivalente (Le), es decir, valorar cuántos metros de tubería recta del mismo diámetro producen una pérdida de carga continua que equivale a la pérdida que se produce en el punto singular, así cada codo, medidor de caudal, válvula, etc., se sustituirá por una longitud de tubería equivalente. En términos básicos, el concepto de Longitud Equivalente consiste en definir, para cada accesorio en el sistema a estudiar, una longitud virtual de tubería recta que, al utilizarse con la ecuación de pérdida por fricción (hc), genere la misma pérdida asociada a la pérdida localizada (hs) del referido accesorio. Por tanto, la longitud equivalente de una singularidad puede determinarse igualando las fórmulas para el cálculo de hs y hc:
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ℎ 2 ℎ 2 ℎ ℎ 2 2 L= LE =
La pérdida de carga total en una tubería de longitud L con i singularidades de longitud equivalente L Ei cada una de ellas, será la que produce una tubería del mismo diámetro pero con una longitud total
L Σ
Igualmente, para el método de la Longitud Equivalente, se requiere recurrir a tablas o Nomogramas en los que se determine, de acuerdo a las características de la pieza (tipo y diámetro), la Longitud Equivalente a introducir en la ecuación de pérdida por fricción que estemos utilizando. Si utilizamos la ecuación de Hazen-Williams tendríamos lo siguiente:
Concepto-Longitud-Equivalente-Perdida-Localizada Donde hl es la pérdida localizada que genera determinada pieza especial de diámetro “D” y con una Longitud Equivalente igual a “LE”.
De esta forma, tanto las Pérdidas por Fricción como las Pérdidas Localizadas, para cada diámetro en el sistema, serán evaluadas con la misma ecuación de Pérdidas por Fricción para obtener la Pérdida Total (ht) del sistema, sólo que a la longitud de tubería real (Lr) se le adicionará la suma de la Longitud Equivalente de cada accesorio, para tener así una longitud de cálculo:
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Introduciendo-Longitud-Equivalente-en-Ecuacion-de-Friccion Igualmente, para el método de la Longitud Equivalente, se requiere recurrir a tablas o Nomogramas en los que se determine, de acuerdo a las características de la pieza (tipo y diámetro), la Longitud Equivalente a introducir en la ecuación de pérdida por fricción que estemos utilizando. Ejemplo: aplicación del método de la Longitud Equivalente en el cálculo de pérdidas en un sistema. Determinar las pérdidas totales en una tubería de PVC de 350 m de longitud y 300 mm de diámetro (12”), cuando por ella se con ducen 112 l/s y en la que se encuentran instalados los siguientes accesorios, con los mismos diámetros que la tubería: Descripción
Codos de radio largo a 90° Válvula de retención (Check) Llave de Compuerta 100% abierta
Cantidad
2 1 1
En este ejemplo tenemos, para todas las piezas , el mismo diámetro que la tubería, así que podremos agrupar el cálculo de las Pérdidas Totales (que incluyen Pérdidas por Fricción y Pérdidas Localizadas) con una sola ecuación:
Para conocer la Longitud de Cálculo (Lc), utilizamos el Nomograma, y obtenemos para cada accesorio la Longitud Equivalente:
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Descripción
Cantidad
Longitud Equivalente (m)
Codos de radio largo a 90°
2
2×6 = 12
Válvula de retención (Check)
1
26
Llave de Compuerta 100% abierta
1
2,25
Total (m) =
40,25
Con esto, sustituimos para obtener la pérdida total en este sistema:
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Si en el ejemplo anterior, determinamos el porcentaje de incremento que representa la Longitud de Cálculo determinada (la cual incluye a la Longitud Equivalente) con respecto a la longitud de Tubería Real, tendremos :
Lo que significa que incrementando, en este caso, el valor de longitud real en un 11,5% estaríamos considerando a las pérdidas localizadas en nuestro cálculo. Este procedimiento es la justificación de una simplificación muy común en el diseño de Sistemas de Abastecimiento de Agua: el de suponer un factor (FM), en forma de porcentaje de incremento para la Longitud Real (de Tubería Recta) y con el cual tendremos la Longitud de Cálculo a utilizar en la ecuación de pérdidas por fricción:
Generalmente este porcentaje de incremento, de acuerdo al tipo de aplicación, oscila entre el 5 y el 50%, dependiendo su selección de la relación existente entre el número de piezas y la longitud de tubería recta en el sistema bajo estudio. Por ejemplo:
En Sistemas donde predominen tramos extensos de Tubería con media a baja densidad de accesorios, como en el caso de Conducciones (Aducciones) expresas o redes de distribución, podemos utilizar entre el 5 y el 25% En Sistemas caracterizados por tramos cortos de tubería, en los que son necesarias una cantidad significativa de accesorios, como en el caso de Instalaciones Sanitarias en Edificaciones, deberíamos pensar en valores mayores: entre 25 y 50%.
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Tabla. Pérdidas por fricción de accesorios. Longitud de equivalentes en
Accesor io s
Tubería
relación con diámetros tubería en metros Codos a 90º, radios no rmales.
32
Codos a 90º, radios medi os.
26
Codos a 90º gran curvatu ra.
20
Codos a 90º en escuadra.
60
de
Curvas de retorno 180º cerradas 75 Curvas de retorno 180º radio medio 50 Piezas T
75
Acop lam ien tos
Despreciables
Uniones
Despreciables
Válvula de compuerta abierta
8
Válvula abierta
300
de
asiento
esférico
Válvul a de ángulo abierta
150
Contadores de agua de disco
400
Contadores de agua a pistón
600
Contador d e agua a rodete.
300
20
7.3.3 Modelo matemático epanet 2. EPANET es un programa orientado al análisis del comportamiento de los sistemas de distribución de agua y el seguimiento de la calidad del agua en los mismos, que ha tenido una gran aceptación en España, y en todos los países de habla hispana, desde su lanzamiento en Europa en Septiembre de 1993. EPANET es un programa de ordenador que realiza simulaciones en periodos prolongados del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de suministro a presión. Una red puede estar constituida por tuberías, nudos (uniones de tuberías), bombas, válvulas y depósitos de almacenamiento o embalses. EPANET efectúa un seguimiento de la evolución de los caudales en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de las especies químicas presentes en el agua, a lo largo del periodo de simulación discretizado en múltiples intervalos de tiempo. Además de la concentración de las distintas especies, puede también simular el envejecimiento del agua en la red (o tiempo de permanencia) y su procedencia desde las diversas fuentes de suministro. Al objeto de facilitar el trazado gráfico de la red, y también con fines orientativos, es posible cargar un fondo sobre el área de dibujo, bien en formato mapa de bits o en formato vectorial, recomendándose este último. Dicho fondo puede ajustarse al trazado de la red, redimensionando el área de trazado si fuera necesario, y almacenarlo como parte del proyecto. En definitiva, la nueva versión permite trazar la red sobre un fichero de fondo importado, por ejemplo, desde AutoCad (no permite, sin embargo, leer directamente el trazado de una red previamente dibujada en AutoCad). EPANET 2 incorpora una base de datos interna en la cual se almacenan todos los elementos, propiedades y parámetros que configuran el escenario actual. Dicha base es el elemento de conexión entre el editor gráfico y las utilidades para la lectura, grabación, exportación e importación de los datos, y puede consultarse o editarse directamente desde la nueva ventana del visor. La nueva estructura de datos es compatible con los ficheros de la versión anterior, los cuales pueden todavía leerse directamente.
Entre las innumerables aplicaciones que pueden llevarse a cabo con EPANET 2, cabe destacar las siguientes: la planificación de mejoras en la red, el diseño y selección de nuevos elementos, la detección de los ‘cuellos de botella’ del
sistema de distribución, la evaluación de la calidad y garantía de suministro a los abonados, la regulación de las presiones en la red, la reducción de los costes energéticos de operación, la mejora de la calidad del agua suministrada 21
mediante la planificación de descargas puntuales, la regulación de los depósitos para reducir el tiempo de permanencia del agua en los mismos o la instalación de estaciones recloradoras, la previsión de cómo la red se verá afectada ante futuras demandas o ante la posible clausura de ciertas fuentes de suministro, la planificación de actuaciones de emergencia en caso de avería o de entrada de un contaminante en la red, la valoración y localización de las fugas, la sectorización de la red para tener un mayor control sobre los caudales, etc, etc. En definitiva, los modelos deberán estar siempre presentes en el futuro para la toma de decisiones, en los niveles técnicos de las empresas encargadas de gestionar los servicios de abastecimiento de agua potable. EPANET se ha concebido como una herramienta de investigación para mejorar nuestro conocimiento sobre el avance y destino final de las diversas sustancias transportadas por el agua, cuando ésta discurre por una red de distribución. Entre las diferentes aplicaciones orientadas al análisis de la redes de distribución, puede citarse el diseño de programas de muestreo, la calibración de un modelo hidráulico, el análisis del cloro residual, o la evaluación de las dosis ingeridas por un abonado. EPANET puede resultar también de ayuda para evaluar diferentes estrategias de gestión dirigidas a mejorar la calidad del agua a lo largo del sistema. Entre estas pueden citarse:
• Modificación de los volúmenes de agua tomados desde cada punto, en el caso
de redes con varias fuentes de suministro • Modificación del rég imen de bombeo, o de llenado y vaciado de los depósitos • Utilización de estaciones de tratamiento secundarias, tales como estaciones de
recloración o depósitos intermedios • Establecimiento de planes de limpieza y reposición de tuberías.
EPANET proporciona un entorno integrado bajo Windows, para la edición de los datos de entrada a la red, la realización de simulaciones hidráulicas y de la calidad del agua, y la visualización de resultados en una amplia variedad de formatos. Entre éstos se incluyen mapas de la red codificados por colores, tablas numéricas, gráficas de evolución y mapas de isolíneas.
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Componentes físicos EPANET modeliza un sistema de distribución de agua como un conjunto de líneas conectadas a los nudos. Las líneas representan tuberías, bombas, o válvulas de control. Los nudos representan puntos de conexión entre tuberías o extremos de las mismas, con o sin demandas (en adelante los denominaremos en general Nudos de Caudal), y también depósitos o embalses.
Embalse
Depósito
Bomba Válvula Tubería
7.4 válvulas y piezas especiales. Válvulas Las válvulas son dispositivos mecánicos que son empleados para detener, iniciar o controlar las características del flujo en conductos a presión. Pueden ser accionadas manualmente o por medios automáticos o semiautomáticos. Así, existen accionadores eléctricos, hidráulicos o neumáticos, los cuales se usan en plantas de tratamiento o en instalaciones donde se requiere operar frecuentemente las válvulas. En redes de distribución son más usuales las válvulas que se operan manualmente mediante palancas, volantes y engranes, debido a que los cierres y aperturas son ocasionales. Suelen colocarse dentro de cajas de concreto o mampostería, llamadas cajas de operación. Las válvulas se dividen en dos clases según su función:
Aislamiento o seccionamiento. Según su tipo las válvulas de aislamiento pueden ser: de compuerta, de mariposa, o de asiento (cilíndrico, cónico o esférico). Las válvulas de asiento pueden realizar ambas funciones.
Control. las válvulas de control pueden ser: de altitud, de admisión y expulsión de aire, controladoras de presión, de globo, de retención (check), o de vaciado (de desagüe).
En redes de distribución las válvulas de compuerta son las más empleadas para aislar tramos de tubería, ya sea para su revisión o reparación, debido a su bajo costo, amplia disponibilidad y baja pérdida de carga cuando están completamente abiertas.
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En general, dentro de las válvulas utilizadas en redes de distribución se pueden identificar:
Válvulas de compuerta. Este tipo de válvula funciona con una placa que se mueve verticalmente a través del cuerpo de la válvula en forma perpendicular al flujo. El tipo de válvula de compuerta más empleado es la de vástago saliente. Tiene la ventaja de que el operador puede saber con facilidad si la válvula está abierta o cerrada. Es importante señalar que la válvula de compuerta está Válvula de
destinada propiamente para ser operada
cuando se requiera un cierre o apertura total, y no se recomienda para ser usada como reguladora de gasto debido a que provoca altas pérdidas de carga y porque puede cavitar. En válvulas de compuerta con diámetros mayores a 400 mm (16") se recomienda el uso de una válvula de paso (bypass), lo cual permite igualar las presiones a ambos lados de la válvula haciéndola más fácil de abrir o cerrar.
Válvulas de mariposa. Estas válvulas
se operan por medio de una flecha que acciona un disco y lo hace girar centrado en el cuerpo de la válvula. Se identifican por su cuerpo
sumamente
corto.
El
diseño
hidrodinámico de esta válvula permite emplearla como reguladora de gasto en condiciones de gastos y presiones bajos, así como para estrangular la descarga de Válvula de mariposa
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una bomba en ciertos casos. La válvula de mariposa puede sustituir a la de compuerta cuando se tienen diámetros grandes y presiones bajas en la línea. Tienen la ventaja de ser más ligeras, de menor tamaño y más barato.
Válvulas de altitud. Las válvulas de altitud se emplean para controlar el nivel del agua en un tanque en sistemas de distribución con excedencias a tanques. Existen de dos tipos generales: una sola acción y doble acción. También se les denomina de un solo sentido o de dos sentidos de flujo. La válvula de una sola acción permite el llenado del tanque hasta un nivel determinado.
El
tanque
abastece a la red por medio de una tubería de paso con una válvula de retención. La válvula de retención se abre cuando la presión en la red es menor a la provista por el tanque. La válvula de doble acción realiza el proceso anterior sin tener una tubería de paso (bypass). Notase que la diferencia esencial entre ambas válvulas es el mecanismo de control, no la válvula en sí.
Válvulas de globo. Constan de un disco horizontal que se acciona mediante un vástago que abre o cierra un orificio por donde circula el agua (figuras 2.19a y 2.19b). Este mecanismo se encuentra dentro de una caja de hierro fundido con extremos de brida para los diámetros grandes y de rosca para los pequeños. Son voluminosas y presentan una alta resistencia al paso del agua, por lo que se emplean generalmente, en tuberías de diámetros pequeños (domésticas).También pueden ser usadas para drenar o vaciar tuberías. h) Válvulas de retención.
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7.5 Piezas especiales Se les llama piezas especiales a todos aquellos accesorios de la tubería que permiten formar cambios de dirección, ramificaciones e intersecciones, así como conexiones incluso entre tuberías de diferentes materiales y diámetros. También permiten la inserción de válvulas y la conexión con estaciones de bombeo y otras instalaciones hidráulicas. En general, se dispone de piezas especiales fabricadas de: hierro fundido (con bridas, extremos lisos, campana-espiga), fibrocemento, PVC, polietileno, concreto presforzado y acero. También se dispone de accesorios complementarios empleados para formar uniones como: juntas mecánicas (Gibault, universal, etc.), empaques y tornillos de acero con cabeza y tuerca hexagonal estándar.
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Las piezas especiales de hierro fundido son las más empleadas y se fabrican para todos los diámetros de las tuberías. Se conectan entre sí o con válvulas mediante bridas con tornillos y un empaque intermedio, y pueden unirse a tuberías de fibrocemento utilizando juntas Gibault. También se fabrican bajo pedido piezas especiales de fibrocemento hasta usualmente 150 mm (6") ya que su resistencia mecánica es baja en diámetros mayores. Los fabricantes de tuberías ofrecen entre sus líneas de productos adaptadores para tuberías de otros materiales, otros sistemas de unión o incluso tubos lisos que pueden ser unidos mediante juntas mecánicasDisposición y manejo de válvuas y piezas especiales Se entenderá por instalación de válvulas y piezas especiales, el conjunto de operaciones que deberá realizar el contratista para colocar según el proyecto y/o las órdenes del ingeniero, las válvulas y piezas especiales que formen parte de las redes de distribución de agua potable. La CONAGUA proporcionará al contratista las válvulas y piezas especiales que se requieran, salvo que a la celebración del contrato se pacte en otro sentido, en cuyo caso el suministro deberá de ser hecho por el contratista. Las juntas, válvulas, cajas de agua, campana y piezas especiales serán manejadas cuidadosamente por el contratista a fin de evitar su deterioro. Previamente a su instalación el ingeniero inspeccionará cada unidad para eliminar las que presenten algún defecto en su manufactura. Antes de su instalación las piezas especiales deberán ser limpiadas de tierra, exceso de pintura, aceite, polvo o cualquiera otro material que se encuentre en su interior o en las juntas. Las válvulas que se encuentren localizadas en tubería al descubierto deberán anclarse con concreto si son mayores 12” de diámetro.
Durante la instalación de válvulas o piezas especiales dotadas de bridas, se comprobara que el empaque de plomo o neopreno o de hule que trabajara como sello en las uniones de las bridas, sea del diámetro adecuado a las bridas, sin que sobresalgan invadiendo el espacio del diámetro interior de las piezas. Entre otros cuidados y acciones que deben de tomarse en cuenta según el sano juicio del ejecutor de la obra de distribución y en general del sistema de abastecimiento de agua potable de cualquier localidad. Conexiones domiciliarias Es la instalación que se deriva de la tubería de la red de distribución de agua y termina dentro del predio del usuario, constituida por dos elementos básicos: el ramal y el cuadro. 27
El ramal. Es la parte de la toma domiciliaria cuya función es la conducción del agua de la tubería de la red de distribución, hacia la instalación hidráulica intradomiciliaria. Da inicio en el acoplamiento con la tubería de la red y concluye en el codo inferior del primer tubo vertical del cuadro. Para su instalación, conexión y operación, esta parte de la toma domiciliaria está, conformada por las piezas que a continuación se describen:
Abrazadera: Corresponde a la pieza que se coloca en la tubería de distribución, proporcionando el medio de sujeción, adecuado para recibir al insertor (llave de inserción o adaptador). Su selección depende del tipo de material empleado en la red de distribución y en el ramal. Se emplean abrazaderas en redes de policloruro de vinilo (PVC), asbesto-cemento y fierro fundido (Fo. Fo. ), para el caso de redes de polietileno de alta densidad (PEAD) se utiliza silletas con sistema de unión por termofusión. Los materiales más utilizados en las abrazaderas son el fierro fundido (Fo. Fo.) y el PVC. La abrazadera es la Parte de la toma domiciliaria que hace hermética la perforación de la tubería de la red y mediante una salida llamada derivación, permite la interconexión con la tubería del ramal.
Insertor: Es la pieza que permite unir la abrazadera con la tubería el ramal, roscándose en ésta y con salidas adaptables para diferentes tipos de tubería flexibles; se fabrican en bronce y en PVC.
Tubería flexible: Corresponde a la parte del ramal cuya función es absorber un posible desplazamiento diferencial del terreno entre la red de distribución y la toma domiciliaria, para lo cual se realiza una deflexión a la tubería flexible, conocida como "cuello de ganso" durante su instalación (Figura 1.1). El material que se debe utilizar puede ser cobré flexible (Tipo "L") o PEAD.
Llave de banqueta: Es un elemento fabricado generalmente con bronce, que permite el corte del flujo o cierre de la toma, para realizar reparaciones o limitar el servicio, sin necesidad de excavar el terreno del lugar en donde se encuentra la toma, ya que se tiene acceso desde el exterior a través de la caja de banqueta. Sus elementos de conexión varían dependiendo de los diferentes tipos de tubería que se utilicen en el ramal de la toma. La unión 28
de una llave de banqueta con la tubería de PEAD, se debe realizar mediante un conector que funcione a base del sistema de compresión.
Tubería rígida: Este elemento se localiza entre la llave de banqueta y él codo inferior del vertical, el material que se utiliza es cobre rígido (Tipo "M") o el Fo.Go. Su instalación es opcional ya que se puede continuar con la tubería flexible.
Codo inferior del cuadro: Tiene como función unir la tubería del ramal con el cuadro de la toma, dependiendo de los materiales de la toma, el codo puede ser de Fo.Go, cobre o bronce.
Conectores y niples: Son generalmente de bronce o PVC, permiten la unión entre las piezas que integran el ramal; se utilizan principalmente para la unión de la tubería con: el insertor, la llave de banqueta y del codo que une el ramal con el cuadro.
El cuadro. Es la parte de la toma domiciliaria que permite la instalación de: el medidor, la válvula de globo y la llave de manguera. El tipo de material con que se forma el cuadro es Fo.Go. O cobre rígido. Las dimensiones promedio son: 0.60 m de altura a partir del nivel del piso, que permite tomar las lecturas medidor y 0.50 m de largo, aproximadamente para colocar el medidor y los accesorios que se requieran. El cuadro está formado por las partes siguientes:
Tubos rígidos colocados en posición horizontal y vertical de Fo.Go. o cobre tipo “M”
Codos de bronce, cobre o Fo.Go.
Medidor; su selección depende básicamente de tres aspectos: calidad del agua, régimen de operación del sistema y del consumó por registrar.
Adaptadores; sirven para ajustar cuando se requiera las dimensiones del cuadro; o de conexión temporal cuando la instalación del medidor se posponga.
Válvula de globo. Sirve para interrumpir el flujo del agua cuando se efectúa una reparación en el cuadro de la toma, se instala antes del medidor si el cuadro no cuenta con llave de banqueta, en caso contrario se instala después del mismo. 29
“Tee" para derivar el agua hacia la llave de manguera.
Llave de manguera; es la primera llave de uso para el propietario del inmueble además sirve para: toma de muestras de agua para verificar su calidad, probar el funcionamiento del medidor y medir la presión disponible en la toma.
Tapón al final de la toma; se utiliza en forma provisional para el cierre de la toma al final del cuadro, y se elimina cuando la toma domiciliaria se conecta a la instalación hidráulica intradomiciliaria.
Tomas domiciliarias tipo
Por tipo de tubería: Los tipos de tomas comúnmente usadas se dividen en: urbana y rural, la diferencia entre ellas es el número y tipo dé componentes que las integran como: la llave de banqueta, la de inserción y el medidor de agua. Por el tipo de material de la tubería del ramal, las tomas domiciliarias pueden ser de: PEAD, Fo.Go. Cobre o combinadas. En todos los casos se necesita contar con las conexiones apropiadas para cada tipo de tubería. El 30
material (plástico o metálico) de la abrazadera y el de la red de distribución deben ser compatibles. Instalación de toma domiciliaria De la tubería de distribución pueden derivarse la toma domiciliaria directamente, con abrazadera o silletas.
Derivación directa: Es la que se hace conectando el insertor o la válvula de inserción en una perforación con cuerda hecha a la tubería.
Derivación
con
abrazadera:
Derivación con abrazadera permite derivaciones de mayor diámetro en comparación con las derivaciones directas. Pueden instalarse con la tubería vacía o trabajando a presión; en el primer caso se perfora la tubería
antes
de
colocarse
la
abrazadera usando un taladro común o berbiquí con la broca adecuada para cada tipo de material; en el segundo caso con la abrazadera y la válvula de inserción colocadas y perforando a través de ella, cuidando que el diámetro de la broca sea igual al interior de la inserción
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