UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

UCA

FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE

Hidráulica

“Proyecto: Red cerrada de distribución de agua potable”

Presentado por: Carlos Alberto Zeledón Vallecillo.

Presentado a: Dr. Néstor Javier Lanza Mejía.

Carrera: Ingeniería Civil

Managua, 10 de diciembre de 2010.

INTRODUCCION

En este proyecto se pretende poner en practica los conocimientos adquiridos en la clase de hidráulica, en el diseño de una red de tuberías cerradas para el abastecimiento de agua potable, se calcularan los diámetros de las tuberías, las perdidas en los tramos y como es un sistema por gravedad se estimaran las características necesarias para el diseño del tanque como por ejemplo su altura.

La realización de este tipo de proyectos es muy importante en nuestra formación profesional como ingenieros en cuanto al diseño hidráulico, ya que de esta manera estamos acercándonos a lo que es la realidad en el diseño de un abastecimiento de agua potable y como bien sabemos en la práctica es donde mas aprendemos.

Dentro del estudio de la hidráulica de los conductos forzados o funcionando bajo presión,

uno de los temas mas interesantes se refiere al análisis del balance hidráulico y

determinación de presiones en las redes abiertas y cerradas de tuberías.

No obstante de la existencia de diferentes procedimientos de cálculo y programas

computacionales al presente, la mayoría se restringen al cálculo de caudales y pérdidas de

carga en los tramos en redes hidráulicas, así como la determinación de cotas piezométricas

y presiones disponibles en los nudos.

OBJETIVOS.

Aplicar los conocimientos obtenidos sobre redes de distribución realizando un diseño hidráulico de red cerrada para un plano urbanístico.

Realizar un análisis hidráulico a partir del uso del programa informático LOOP, el cual permite calcular el comportamiento de una red de distribución mallada (red cerrada).

MARCO TEORICO

La red de distribución es un trazado de cañerías que permite distribuir agua potable desde

un tanque elevado que es el que sirve como almacenamiento y para darle suficiente presión

al agua para que llegue al punto más alejado. El tanque sirve para unificar presiones. La red

debe cumplir con requisitos técnicos y económicos.

Las redes pueden ser:

Abiertas: nace de un tanque elevado y su extremo termina en un tapón (sin retorno) que

debe tener consumo permanente en su extremo para evitar estancamiento.

Cerradas: esta compuesta por mallas.

Las mallas son una parte de la red que nace en el tanque y constituyen un circuito cerrado,

poseen dos ramales que se unen en un punto que coincide con el punto de equilibrio. Las

mallas no deben abarcar más de 6 x 6 manzanas (por una cuestión de perdida de carga).

Datos que deben tenerse en cuenta al diseñar la distribución:

a) Determinar la vida útil del proyecto y crecimiento poblacional

b) Dirección en que crecerá la ciudad

c) Altura promedio de las casas, para determinar altura del tanque de las mismas y así

proveer en la conexión de una presión adecuada (por ejemplo 10 m.c.a.).

d) Dotación diaria por habitante y por día, valor que no es calculado para cada caso en

particular, pero se lo adopta en función del nivel socio-económico de la población a

servir.

e) Tener en cuenta la fuente de agua, ya que debemos tener cantidad de agua

disponible según la necesidad del proyecto.

f) Diámetro mínimo de las cañerías distribuidoras

g) Ubicación del tanque

Redes Cerradas

Las redes cerradas son conductos ramificados que forman anillos o circuitos, se alimentan

desde uno o varios suministros y conducen el agua entre ellos o desde ellos, y los nudos y

extremos finales por más de un recorrido posible.

En puntos determinados de la red pueden ocurrir descargas o salidas de agua, además de las

posibles ramificaciones. Esos puntos se denominan nudos de consumo. Pero también es un

nudo el punto donde cambian las características del conducto, como su diámetro o su

rugosidad, así no haya consumo o ramificación.

El flujo de agua a través de ellas estará controlado por dos condiciones:

- El flujo total que llega a un nudo es igual al que sale.

- La pérdida de carga entre dos puntos a lo largo de cualquier camino, es siempre la

misma

Estas condiciones junto con las relaciones de flujo y pérdida de carga, nos dan

sistemas de ecuaciones, los cuales pueden ser resueltos por cualquiera de los métodos

matemáticos de balanceo.

Diseño hidráulico

Este consiste en determinar los diámetros y longitudes de la tubería de conducción, de tal

forma que las condiciones hidráulicas de funcionamiento sean satisfechas. Esto es, que el

agua se distribuya en los diferentes puntos de la red con los gastos y cargas de presión

seleccionados por el ingeniero.

La selección del diámetro de la red de distribución considera los siguientes factores: las

velocidades máxima y mínima permisibles, los diámetros nominales disponibles

comercialmente, el tipo de material y su resistencia, el tipo de sistema de riego a emplear,

el costo inicial de la tubería y el costo de la energía consumida en su operación.

De acuerdo con la lógica comercial, una tubería fabricada con el mismo material y las

mismas características de resistencia, su precio aumenta conforme el diámetro es mayor.

Por lo que para conducir un gasto determinado, la tubería más económica será aquella que

lo conduzca con la máxima velocidad permisible, porque será la de menor diámetro. Sin

embargo, a mayor velocidad del flujo mayores son las pérdidas de energía en la

conducción, por tanto, la red diseñada con la máxima velocidad será la más barata pero

también la de mayor requerimiento de energía, es por eso que la optimización hidráulica

está ligada a la optimización económica. De ahí que el diseño óptimo de una red de

distribución a presión, consiste en seleccionar el diámetro de tubería de cada tramo de la

red, que satisfacen las condiciones hidráulicas de funcionamiento. Esto es, que el agua sea

entregada en la cantidad y con la presión hidráulica requerida, con el menor costo total de

inversión en materiales y en la operación del sistema de riego.

El plano urbanístico al cual se le realizara el diseño es el siguiente:

DATOS Y CALCULOS

Área de lote: 15 x 10 m2

I = 7 hab por lote.

Área total= 275,908.50 m2

Node lotes=275908.50150

=1839lotes

Nodehabitantes=1839∗7=12873habitantes

Qentrada=(12873 )(115 )

86400=17.134 lps

Solamente existirán caudales concentrados en los nodos 1, 3 y 5; y sus áreas tributarias serán de:

Nodo Área tributaria1 132,929.16 m2

3 62,388.29 m2

5 80,591.04 m2

Caudales concentrados

Q 1=132,929.16275,908.50

∗17.134=8.255 lps

Q 3= 62,388.29275,908.50

∗17.134=3.874 lps

Q 5= 80,591.04275,908.50

∗17.134=5.005

Utilizando el polígono de Thisis obtenemos las áreas tributarias

Los caudales supuestos para calcular los diámetros son los siguientes:

17.134 LPS

3LPS3 LPS

8.255 LPS

2.879 LPS

3 LPS 3 LPS

3.874 LPS0.874 LPS 2.005 LPS 5.005 LPS

Calculo de diámetros con caudales asumidos en los tramos

tramo Q Vlim(m/s) Dreal Dprop Vt(m/s)1001 17.134 1.1544285

75.5066095

46 0.9695860

612 3 1.0102040

82.4631706

63 0.6790610

923 3 1.0102040

82.4631706

63 0.6790610

934 0.874 0.9885102 1.3440133

21.5 0.7913325

241 2.879 1.0089693

92.4144614

33 0.6516722

945 2.005 1.0000510

22.023879 2.5 0.6535283

956 3 1.0102040

82.4631706

63 0.6790610

961 3 1.0102040

82.4631706

63 0.6790610

9

Introduciendo datos al programa LOOP

Los resultados Obtenidos en el programa fueron los siguientes

Como se observa en la tabla de presiones, el punto crítico es el punto 6 con una presión de

-2.59 entonces sumamos este valor junto con una presión mínima de 10 mca a la cota

donde estará ubicada el tanque.

= 107 + 2.59 + 10 = 119.59 m

Ubicamos en el programa LOOP la altura de 119.59 en el punto donde estará ubicado el

tanque:

Entonces de esta manera obtenemos la presión mínima requerida en el punto crítico la cual

es de 10 mca:

Entonces los caudales en el LOOP quedan de la siguiente manera

17.134 LPS

3.24LPS2.98 LPS

8.255 LPS

2.66 LPS

3.24 LPS 2.98 LPS

3.874 LPS0.64 LPS 2.02 LPS 5.005 LPS

El sistema de distribución es un sistema por gravedad, por lo tanto debemos tomar en

cuenta dos casos en el diseño:

a) Consumo máximo horario.

Para el consumo máximo horario utilizamos el factor máximo horario, que para este caso

será de 1.5, este valor se introduce en la opción de PEAK FACTOR de LOOP:

Manteniendo los datos de la corrida anterior y solo cambiando el PEAK FACTOR

obtenemos los siguientes resultados:

Se puede apreciar en los resultados que las velocidades se mantienen en los rangos, pero las

perdidas aumentan un poco ya que los diámetros se mantuvieron y los caudales

aumentaron.

En el caso del consumo máximo horario encontramos que el punto crítico es el punto 5 con

una presión de 5.56m. Por tanto nuestro punto crítico ahora es el 5 y debemos determinar

nuevamente los diámetros de las tuberías para que disminuyan las perdidas y así aumenten

las presiones.

Entonces los diámetros para que la red funcione eficientemente con el consumo máximo horario son de:

tramo Q Vlim(m/s) Dreal Dprop Vt(m/s)1001 25.701 1.2418469

46.5024857

68 0.8180882

412 4.91 1.0296938

83.1212252

84 0.6251606

223 4.91 1.0296938

83.1212252

83 1.1113966

534 0.9 0.9887755

11.3636748

71.5 0.8148733

141 1.52 0.9951020

41.7665519

82.5 0.6188345

45 0.69 0.98663265

1.19532289

1.5 0.6247362

56 6.82 1.04918367

3.64422229

4 0.86834937

61 6.82 1.04918367

3.64422229

4 0.86834937

Introduciendo estos diámetros en el LOOP :

Entonces obtenemos los siguientes resultados:

Como podemos observar todas las presiones son mayores a 10 mca incluso en el punto critico que en este caso es el punto 6 al igual a como lo teníamos en la primera corrida. Y los caudales concentrados en los nodos para el consumo máximo horario son de :12.382 lps para el nodo 1, 5.811 lps para el nodo 3 y 7.508 para el nodo 5.

a) Caso de incendio.

Para calcular el caudal de incendio usamos la siguiente formula:

Q INCENDIO=1.5FClps en este caso FC=1.5

QDISEÑO=CMH+Q INCENDIO

QDISEÑO=25.701+1

QDISEÑO=26.701 lps

Se le suma el caudal de incendio al punto crítico:

Nodo6=QC+Q I

Nodo6=0+1

Nodo6=1 lps

Incluyendo este caudal por caso de incendio en el nodo 6, pero utilizamos los mismos diámetros que para el consumo máximo horario:

Luego de haber introducido los datos anteriores obtenemos:

Como podemos observar ahora el caudal de diseño es de 26.701 lps y en el caso de un incendio la presión del punto crítico disminuyo levemente de 10.03m a 9.17m o sea que la red trabajaría eficientemente ante esta adversidad.

Calculando la altura del tanque:

V=(26.701 )(86,400)

1,000=

2306.966100

=23.07m3

TABLA. CONSTANTE DE CAPACIDAD DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTOV(cientos de m3) K

<3 2.04-6 1.87-9 1.5

10-13 1.314-16 1.0>17 0.7

h=V3

+K=23.073

+0.7=8.39m ,

Entonces la altura del tanque a instalar será de 8.39m. y el diámetro de 2h = 16.78m.

Aplicando Bernoulli del punto 100 al 1 para calcular la altura de la torre tenemos que:

H tanque= 8.39m Z1= 106m

Z100= 107m P1

γ = 13.06

H torre = ? Hp1-100 = 0.53m

H torre + H tanque + Z100 = Z1 + P1

γ + Hp1-100

H torre + 8.39 + 107 = 106 + 13.06 + 0.53

H torre = 4.2 m

Se necesita una torre de 4.2 m para mantener elevado el tanque y que las presiones se distribuyan bien en cada punto.

CONCLUSION

Luego de haber realizado los cálculos pertinentes, obtenemos que el caudal de diseño es de

26.701 lps y los diámetros a utilizar en la tubería serán de:

tramo Dprop (pulg)

1001 812 423 334 1.541 2.545 1.556 461 4

Con estos diámetros en el consumo máximo horario obtenemos una presión de 10.03 mca

en el punto crítico y la presión mínima requerida es de 10 mca por tanto se puede afirmar

que el sistema esta trabajando eficazmente; igualmente en el caso de incendio la presión en

el punto critico disminuye a 9.17mca lo cual es una disminución poca significativa lo que

indica que existe un buen funcionamiento en la red.

Finalmente la red de distribución queda de la siguiente manera:

26.701 LPS

4.91 LPS7.84 LPS

12.382 LPS

1.57 LPS

4.91 LPS 6.84 LPS

5.811 LPS0.90 LPS 0.61 LPS 7.508 LPS

1 LPS

Se obtuvieron diámetros propuestos de:

Tuberia Diámetro (mm) Diámetro (in)12 62.5 2.523 37.5 1.534 37.5 1.554 37.5 1.556 25 163 25 114 75 3

1001 100 4

Planteando estos diámetros se procedió a ejecutar el programa Loop obteniendo así la siguiente tabla de velocidades, pérdidas y presiones:

Con la ejecución de este primer caso se puede obtener la presión minina que se ubica en el nodo 6 (-7.79).

Tubería Velocidades Perdidas 1001 0.8 1.25

14 0.79 3.2912 0.61 2.3223 0.89 8.8343 0.84 7.8545 0.88 6.6156 0.66 8.1436 0.7 6.90

Nodo Presiones 100 0

1 3.752 -1.573 -7.394 -2.545 -8.156 -14.29