clases sifon invertido- teoría, diseño y cálculo

8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo

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SIFÓN INVERTIDO

FACULTAD DE

INGENIERÍA CIVIL

Y ARQUITECTURA INGENIERÍA CIVIL

42 6 DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS

Instructor: Mitchel Jara


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SIFÓN INVERTIDO

Conducto cerrado que se eleva por encima de la línea piezométrica y en la cual la presión,

en algún punto, es inferior a la atmosférica. La presión en todos en todos los puntos en el

tubo es superior a la atmosférica.

Se emplean para conectar dos conductos o depósitos de agua pasando por un punto más

bajo entre ellos. Se utilizan en el cruce de un canal con una depresión topográfica como un

río, quebrada, un camino, un dren u otro tipo de obstáculo que convenga sortear pasando

por debajo.

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SIFÓN INVERTIDO

A diferencia de los acueductos, los sifones invertidos tienen altas pérdidas de

carga por fricción. Sin embargo, sus ventajas son sus bajos costos de diseño,

construcción y mantenimiento. Esta estructura funciona por diferencia de niveles,

la cual debe absorber todas las pérdidas de carga del mismo.

La diferencia de niveles ( Δz) debe ser mayor o igual a la sumatoria de pérdidas

de carga entre una y otra cámara.

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SIFÓN INVERTIDO

Los sifones invertidos medianos y pequeños (desniveles del orden de 50 m), están

compuestos generalmente por:

1. Vertedero de excedencias.

2. Desarenador.

3. Rejilla de entrada.

4. Transición de entrada.

5. Ducto.

6. Válvula de purga.

7. Transición de salida.

8. Rejilla de salida.

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SIFÓN INVERTIDO

Diseño hidráulico:

1. Definir la alineación vertical y horizontal del ducto, sobre la base de la

topografía. De esta definición resulta la longitud (LD) del ducto y sus cambios

de dirección o codos.

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2. Sobre la base de la topografía y el punto elegido para continuar el canal luego

del sifón invertido, se predetermina la cota de la solera en el punto o cota (F).

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3. Calcular la diferencia de cotas.

4. Definir la velocidad de diseño del agua en el ducto (Vd). Una velocidad

conveniente oscila entre 1.5 – 3.0 m/s. Velocidades menores obligarán a

tomar mayores precauciones en cuando a facilidades de limpieza en el ducto.

Una velocidad superior a los 3.0 m/s también obliga a tomar precauciones

contra el golpe de ariete.

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Δz = diferencia de altura entre la Cota A y la

cota F (m).

Cota A = nivel solera en el punto A – inicio dela estructura (msnm).

Cota F = nivel de solera en el punto F – final

de la estructura (msnm).

∆ = −


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5. Calcular el área interior necesaria del ducto.

6. Definir la forma de la sección del ducto (circular, cuadrada, rectangular u otra)

y el material con su rugosidad.

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Ad = área del ducto (m2).

Q = caudal (m3/s).

Vd = velocidad en el ducto (m/s).

=

Cargas menores a 10 mse puede usar ductos de

hormigón armado. Si la

carga excede los 30 m es

conveniente usar ductos

de H° A°. Para cargas de

60 – 150 m más práctico

utiliza ductos de PVC.


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SIFÓN INVERTIDO


7. Calcular dimensiones características de la sección elegida.

8. Seleccionar la sección comercial con las dimensiones características más

cercanas en el paso anterior.

9. Con el área calculada sobre la base del diámetro comercial, calcular la

velocidad en el ducto.

9

Circular Cuadrada Rectangular

= ∗

= =

ó =

=

La velocidad en el ducto debe ser al menos el

doble de la velocidad en el canal, no menor a

1.0 m/s y mejor si es mayor a 1.5 m/s. Es

prudente no exceder los 3 m/s.


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10. Calcular la pérdida de carga por la rejilla de entrada con la fórmula de Kirshmmer.

11. Calcular la longitud de la transición de entrada y de salida en función del ancho del

espejo de agua del canal y dimensión característica de la sección elegida.

10

hRE = pérdida de carga por rejilla de entrada (m).

F = factor de forma; 1.79 barra circular, 2.42 barra

rectangular.

eb = espesor de la barra (m).Sb = espacio libre entre barras (m).

Vc = velocidad en el canal (m/s).

Φ = ángulo que forman barras con la horizontal.

g = aceleración de la gravedad (m/s2).

= ∗

∗

∗ ∗ (∅)

LT = longitud de transición (m).

T = ancho espejo de agua en el canal (m).

D = diámetro en caso de ducto circular (m). =

−

∗ (. °)


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12. Calcular la pérdida de carga por la transición de entrada.

13. Calcular el nivel de agua sobre el punto B, donde se inicia la conducción entubada. Se

parte de la Cota A más el tirante normal, que resulta el nivel de agua en el punto A

(NA A).

11

hTE = pérdida de carga por transición de

entrada (m). =. ∗

−

∗

= − −


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14. Calcular la proyección vertical del diámetro a la entrada del ducto.

15. Definir porcentaje de ahogamiento (a%) en la sección de entrada asumiendo un valor

mayor a 10% y menor que 50%.

12

DPE = proyección vertical del diámetro del ducto a la

entrada (m).

α = ángulo del ducto en su primer tramo horizontal. =

= − ∗ ( +%

)

% =

− −

∗

El ahogamiento mínimo es de 0.15 m;

un valor recomendable es 0.45 m.

El ahogamiento resulta: = − −


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16. Calcular la pérdida de carga por entrada al ducto.

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hE = pérdida de carga por entrada (m).

Ke = coeficiente de pérdida de entrada. = ∗

∗

FORMA DE ENTRADA Ke

Compuerta en pared delgada, contracción suprimida en los lados y en el fondo 1.000

Entrada con arista en ángulo recto 0.500

Entrada con arista ligeramente redondeada 0.230

Entrada con arista completamente redondeada (R/D = 0.15) 0.100

Entrada abocinada circular 0.004


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17. Calcular la pérdida de carga en el ducto, de acuerdo a:

a. Sumatoria de pérdidas menores por accesorios:

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Km = coeficiente de pérdida de accesorios.

ACCESORIO Km

Válvula de globo, completamente abierta 10.0

Válvula en ángulo, completamente abierta 5.0

Válvula de retención, completamente abierta 2.5

Válvula de compuerta, completamente abierta 0.2

Válvula de compuerta, con 3/4 de apertura 1.0 – 1.15

Válvula de compuerta, con 1/2 de apertura 5.6

Válvula de compuerta, con 1/4 de apertura 24.0

Codo de radio corto (r/D = 1) 0.9

Codo radio mediano 0.75 – 0.8

Codo radio grande (r/D = 1.5) 0.6

Codo de 45° 0.4 – 0.42

= ∗

∗

ACCESORIO Km

Retorno (curva en U) 2.2

Te en sentido recto 0.3

Te a través de la salida lateral 1.8

Unión 0.3

Ye de 45°, en sentido recto 0.3

Ye de 45°, salida lateral 0.8

Entrada recta a tope 0.5

Entrada con boca acampanada 0.1

Entrada con tubo reentrante 0.9

Salida 1.0


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b. Calcular el número de Reynolds:

c. Determinar el factor de fricción (f) iterando hasta cumplir la igualdad:

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Re = número de Reynolds.

v = viscosidad cinemática (m2/s).

TEMPERATUAR (°C) 0 5 10 15 20 25 30

Viscosidad cinemática x 10-6 m2/s 1.79 1.52 1.31 1.15 1.01 0.90 0.81

= ∗

= − ∗

. ∗ +

.

∗

f = factor de fricción.

Ԑ = rugosidad absoluta del interior del

tubo (m).

MATERIAL Ԑ (x10-3m)

PVC 0.0015

Asbesto cemento 0.03

Acero 0.046

Hierro galvanizado 0.15

MATERIAL Ԑ (x10-3m)

Hierro fundido 0.15

Hierro fundido dúctil 0.25

Hormigón 0.3 – 3.0

Acero bridado 0.9 – 9.0


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d. Calcula la pérdida de carga por fricción en el ducto:

18. Calcular la pérdida de salida por ampliación, calculando previamente la velocidad del

flujo en el canal de salida.

16

hf = pérdida de carga por fricción (m).

Ld = longitud del ducto (m). = ∗

∗

∗

=

hs = pérdida de carga por salida (m). =

−

∗


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19. Calcular la pérdida de carga por rejilla de salida, la velocidad de aproximación es ahora

la velocidad de salida.

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= ∗

∗

∗ ∗ (∅) hrs = pérdida de carga por rejilla de

salida (m).


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20. Calcular la sumatoria total de pérdidas (m).

21. Calcular la cota (msnm) de la solera del canal luego de la transición, considerando que

se desea tener el mismo tirante que en el canal de entrada.

22. Para diseñar la estructura de salida, dependiendo del camino elegido en el punto

anterior, se tendrá como tirante del canal de salida el tirante normal de entrada u otro

tirante en el punto F (Yf), asociado a la cota del nivel de agua en la salida sobre el punto

F, Cota NAF (msnm).

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= + + + + + +

= − . ∗

= + +


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23. Considerando las pérdidas de salida se calcula el nivel de agua en el punto E (m).

24. Definir el porcentaje de ahogamiento del tubo de salida (%as) cuidando que la diferencia entre

tirante y el diámetro proyectado sobre la vertical DPS no exceda el valor de un sexto del

diámetro interno del ducto para que la salida trabaje con un mínimo de sumergencia o con

descarga libre, minimizando las pérdidas de carga en la tubería.

25. Proyección de vertical del diámetro del ducto será:

26. Finalmente se calcula la cota en el punto E.

19

= +

(

/) .

DPS = proyección vertical del diámetro del ducto de salida (m).

β = ángulo que forma el ducto a la salida con la horizontal. =

= − −


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SIFÓN INVERTIDO

Ejemplo:

Dimensionar un sifón invertido entre dos canales rectangulares de ancho 0.60 m,

pendiente de 0.001 m/m con capacidad de conducir 250 l/s con un tirante normal

de 0.613 m y una velocidad de 0.679 m/s. La cota de la solera en el canal de

entrada es 2780.30 msnm. El punto de salida está situado aproximadamente en

la cota 2771.30 msnm considerando una longitud de tubería de 310 m.

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