01. Listo 10.- Hidraulica Agricola

7/24/2019 01. Listo 10.- Hidraulica Agricola

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Ing. Dr. Carlos Jess Baca Garca

UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS

BIOLOGICAS Y QUIMICAS

Escuela profesional de Ingeniera Agronmica y

Agrcola

GESTION INTEGRAL DE RR. HH.


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Parmetro Unidad Smbolo Conversiones Ejemplos

Velocidad

metros porsegundo

kilom. porhora

m/s

km/h

1 m/s = km/h Flujo en canalesy tuberas

Caudal

m3/s

L/s

m3/h

L/h

1 m3/s = 1000 L/s

3.6 m3/h = 1 L/s

Canales grandes

Pozos / canales

Cabezales goteo

Goteros /aspersores

Presin

Atmsfera

Bar

Metros

columna agua

atm

bar

mca

kg/cm2psi

1 atm = 1 bar

1 atm = 1 kg/cm2

1 atm = 10 mca

1 atm = 760 mmHg14.6 psi = 1 atm

Tuberas /cabezales defiltrado /prdidas decarga / goteros /aspersores

Potencia

Caballos defuerza

Watts

Kilowatts

HP

W

kw

1 HP = 746 watts

1 kw = 1000 watts

Bombas ymotores


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CANALTUBO

La diferencia entre un canal y una tubera noest, pues, en la forma de la seccin transversal,

sino en el comportamiento hidrulico.

El lquido esta conf inado

Superficie libre

Con un mayor gasto, como es el comportamiento?


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En tuberas, la presin ejercida por un fluido, estarepresentado grficamente por la altura quealcanza el liquido en un pequeo tubo (piezmetro),conectado a la tubera.

h

z

Piezmetro

Plano de

referencia

Cotapiezomtrica

Ph


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1.- Consideraciones Generales El calculo hidrulico de la red de riego presurizado,

se realiza siguiendo el sentido contrario a la delmovimiento del agua, esto quiere decir, que se iniciaen los laterales, se continua con las tuberasterciarias, tuberas secundarias y por ultimo latubera principal, hasta llegar al reservorio, o a la

cmara de carga, o estacin de bombeo. Si se dispone de presin natural suficiente, debe

disearse los dimetros de las tuberas, disipando elexceso de energa mediante prdidas de carga por

friccin mas elevadas, o cuando se dispone deenerga limitada debe controlarse las prdidas decarga por friccin con dimetros mayores de talforma lograr una red hidrulicamente eficiente yeconmica.


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Cuando no se dispone de presin natural, esimprescindible un grupo de bombeo, en este caso, se

adoptar una posicin intermedia entre lasanteriores, de tal forma que el costo total de lastuberas y del equipo de bombeo, as como de losgastos de operacin que estos generan, sean losmenores.

La determinacin de las prdidas de carga a partirde las formulas generales que han sido abordada pordistintos autores y que las han adaptado en funcinde las caractersticas de la conduccin y del rgimen

hidrulico del agua transportada, proponiendo unaserie de formulas que han sido desarrolladasconsiderando los materiales nuevos, menos rugosos,que se emplean hoy da.


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Para el calculo hidrulico de las tuberasempleadas en el riego presurizado, se parte delas formulas bsicas, con especial referencia a los

materiales que se utilizan en el riego poraspersin y goteo esto quiere decir aluminio, PVCy PE.

h = f *(L / D) * (v2

/ 2g)

h = 0,0826 * f * (Q2/D5) * L

Darcy-Weisbach (1875)

h = 10,674 * [Q1,852/(C1,852* D4,871)] * L

Hazen-Williams (1904)


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2.- Principios hidrulicos mas importantes que rigen elflujo en conductos cerrados (tuberas)

Para el diseo y clculo de un sistema de riego presurizado,

con o sin energa natural, es necesario tener un conocimientobsico con respecto a los principios hidrulicos msimportantes que rigen el flujo y la presin en conductoscerrados.

Velocidad y Caudal de AguaLa velocidad del agua, es la rapidez con que se desplaza estelquido en un conducto abierto o cerrado (canal, tubera,mangueras).

El caudal, es el volumen del lquido que a travs de una seccindeterminada, circula en una unidad de tiempo. Entre el caudal Q,la velocidad media V, y el rea de la seccin A, existe la siguienteecuacin fundamental.

Q V A


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3.- Presin de Agua


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Es la relacin entre la resultante de la fuerzas queactan a travs de un elemento de superficie y el rea

de este elemento.Donde:

P = Presin

F = Fuerza

A = rea

En la prctica se mide solamente el exceso depresin, sobre la presin atmosfrica.

A

FP


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Por ejemplo, en una tubera la presin relativa es de 4Kg/cm2,la presin absoluta seria:

Pa=4+1.033Kg/ cm2= 5.033Kg/ cm2


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Las unidades de presin son:

En el sistema MKS, mtrico: Kgf/cm2, atmsfera, m.c.a,bar.

En el sistema inglslb/pulg2o PSI (pound-square-inch),pascal y kPa.


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PRESION EN IRRIGACIN

1.0 bar

14.5 PSI

1,0232 atmsfera

1,0197 kg/cm

2

100 kPa.

10.197 m.c.a.

1.0 bar

15 PSI

1,0 atmsfera

1,0 kg./cm2

100 kPa.

10 m.c.a.

m.c.a = Metros de columna de agua.

PSI = pound square inch, Libra-fuerza por pulgada cuadrada


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PRESION NOMINAL (PN)

- Es el nombre del tubo

- Mayor PN, mayor espesor de la pared,

- PN50, PN75

PRESION DE SERVICIO

(PS)

- Es la presin de trabajo, recomendado por el fabricante.

PRESION DE RUPTURA (PR)

- Es la presin que rompe el tubo, en una bancada de ensayos,

en laboratorio, segn normas tcnicas. (Doble + 1)

- Y no olvidar los Golpes de Ariete.


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PRESION ESTATICA

- Medida con flujo de velocidad CERO,

- Agua parada.

PRESION DE DINAMICA

- Medida con el flujo de agua en movimiento

- Velocidad mayor que CERO.


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5.- Prdida de carga hidrulica.

En los sistemas de riego tecnificado se producen dedos formas:

Prdidas por friccin en tuberas,

Prdidas locales,


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Al circular agua a travs de un conducto

abierto (canales) o cerrado (tuberas) se

producen prdidas de energa debido alrozamiento.


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Cuando circula agua entre la seccin 1 y la seccin 2 de una tubera, se

observa que parte de la energa inicial se disipa bajo la forma de calor, por lo

que la energa en (1) no es igual a la energa en (2). La diferencia:

se denomina prdida de carga.


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PRESION EN TUBERAS


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PRESION EN TUBERAS - ESTATICA


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PRESION EN TUBERAS - DINAMICA

DIFERENCIA:= 4,69 mca.


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PERDIDA DE PRESION EN LATUBERA

gD

VLfHf

2*

* 2


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Prdidas de carga por friccin en tuberas

Las dificultades que se presentan en el estudio analtico,

para la determinacin de las prdidas de carga, llevaron alos investigadores a realizar estudios experimentales, queconcluyeron que la resistencia al flujo del agua es: V o F

Directamente proporcional a la longitud de la tubera,

Inversamente proporcional al dimetro,

Varia con la naturaleza de la superficie interna de lostubos (rugosidad), en el caso de rgimen de flujoturbulento,

Es independiente de la posicin del tubo,

Independiente de la presin interna bajo la cual circulael agua,

Depende de la viscosidad y densidad del fluido.


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En la prctica las tuberas no estn

constituidas exclusivamente por tubos

rectilneos y no siempre con tubos del mismo

dimetro.

Forman parte de las redes de tuberas, las

piezas especiales, los accesorios como codos,tees, reducciones, etc.; que producen prdidas

de energa.

P did d C L l


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Prdidas de Carga Locales Las redes de tuberas, incluyen piezas especiales y

conexiones, que por la forma y disposicin, elevan la

turbulencia, provocan friccin y causan el choque de

partculas dando origen a prdidas de carga. As mismo se

presentan en las tuberas vlvulas, medidores, etc., que

tambin son responsables de prdidas de esta naturaleza.

Que es la prdida de carga debido al ensanchamiento brusco

de una seccin.


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Son producidas por los elementos de conduccin, quecorresponden a cambios de direccin, cambios de

dimetro o de velocidad, choques, etc.Estas prdidas son prcticamente despreciables en

tuberas largas, pero s tienen importancia en tuberascortas.

Las prdidas de carga localizadas se determinanmediante ensayos experimentales para cada accesorio,

por ello se requieren las tablas y bacos suministrados

por la empresa fabricante. Se suele expresar en forma de longitud equivalente.


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Generalidades:

En el proyecto de una tubera, el asunto principal es

determinar la cantidad de energa necesaria paraempujar la cantidad de agua deseada, entre un

punto y otro de esa tubera.

Los ingenieros que se ocupan de este asunto, buscan

siempre encontrar una formula prctica que permita lasolucin de este problema.

Normalmente, cuando se tiene una situacin por

gravedad, los datos conocidos son la carga disponible y

el caudal deseado, y la incgnita es el dimetro deltubo, pero cualquier combinacin de parmetros

conocidos o por determinar es frecuente en el da a da

del ingeniero.

F l l l hid li d t b


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Frmulas para clculo hidrulico de tuberas

En la hidrulica de tuberas, se analizan con frecuencia lasrelaciones cuantitativas entre las siguientes magnitudes:

Caudal QDimetro de la tubera d

Velocidad del agua vLongitud de la tubera L

Perdida de carga por friccin HfPerdida de carga unitaria J= en m/m, o en %

Las unidades de estas magnitudes, usualmente estnexpresadas en:

Q: L/s, m3/h.d: mmv: m/sH: mL: m

: Viscosidad cinemtica 1.003 x 10-6

m2

/s a 20C


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Nmero de Reynolds: Clase de flujos.

Todo fluido en movimiento, presenta fuerzas de inercia y deviscosidad, debido a las fuerzas de friccin interna entre laspartculas del fluido.

En hidrulica existen una serie de variables adimensionales,que dependen de otros trminos con dimensiones. El cocientede estas fuerzas, nos da un numero adimensional cuya relacin

fue comprobada por Reynolds, que nos permite definir la clasede flujo o el rgimen hidrulico, uno de estos nmeros es elNumero de Reynolds.

CLASES DE FLUJO


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CLASES DE FLUJO

Flujo laminar: cuando hay predominio de la viscosidad, el flujo se

desarrolla en forma ordenada y las trayectorias de la partculas de

agua son paralelas entre si. Flujo Turbulento: cuando hay predominio de la inercia, se

presenta la desviacin de partculas y las trayectorias son

desordenadas, se presentan remolinos en las paredes del

conducto debido a los excesos de energa cintica de lasparticular que se desplazan del centro a las paredes.


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En la Figura se observa los tipos de flujo:

El N de Reynolds, es adimensional, en cualquiera que

sea el sistema de unidades empleado, el valor de Re serel mismo.

Para las tuberas, el flujo en rgimen laminar, ocurre y esestable para valores de Re, inferiores a 2,000.

Entre 2,000 y 4,000 el flujo es inestable, se encuentra en

una zona critica, no se puede determinar conseguridad las perdidas de carga que ocurre en la tubera.

En condiciones prcticas, el movimiento del agua en lastuberas es siempre turbulento.

Flujo Laminar Flujo de Transicin Flujo Turbulento


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Ejemplo:

Si tienen una tubera de 50 mm de dimetro que conduceagua a una velocidad media que varia alrededor de 0,90

m/s. la temperatura promedio del agua es de 20 C. Paraesta temperatura la viscosidad cinemtica del agua es:

Calcular el N de Re y cual es el tipo de flujo

Solucin

Aplicando la formula del N de Reynolds

smv /000001.0 2

v

VDRe


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Reemplazando valores en la ecuacin

V = 0.90 m/s

D= 0.05 m

v = 0.000001m2/s

El valor es superior a 4,000, es un flujo turbulento.

000,45000001.0

05.090.0Re

2

sm

msm

7 2 FORMULA DE DARCY - WEISBACH: Flujo


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7.2 FORMULA DE DARCY - WEISBACH: Flujo

rgimen laminar y rgimen turbulento

Conocida tambin como la Frmula Universal

g

V

D

Lfhf

2.

2

)(, mDimetroD

)9,81m/sgravedad,(ladenAceleracig

(m/s),Velocidad,v

),tubera,(mdeLargoL

friccin,deeCoeficientf

carga,(m),dePrdidahf

2


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5

2

*082655,0 D

Q

fSfJ

2

5

2

*10*26,8 QD

L

fhf

Ej l Si ti t b d l i i 500 d


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Ejemplo: Si tienen una tubera de aluminio 500 mm de

dimetro, conduce 220 l/s de agua, con una longitud de 1600

m. de extensin, calcular la prdida de carga para la tubera,

utilizando la frmula D-W. Si se sabe que el coeficiente defriccin en tuberas nuevas es = 0,019 y en tuberas muy

usadas es = 0,037

gv

DLfhf

2.

2

2

196,0 mA smA

Q

v /13,1196,0

220,0

m

g

v

D

Lfhf 71,7

8,9

6,75

6,19*50,0

13,1*1600037,0

2

.22

mg

v

D

Lfhf 96,3

8,9

82,38

6,19*50,0

13,1*1600019,0

2.

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7 3 Formula de Hazen - Williams


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Es una frmula que result de un estudio estadstico cuidadoso, con datosexperimentales obtenidos de investigaciones de muchos autores y deinvestigaciones propias de estos investigadores.

En el ao 1904, propusieron una frmula prctica, que tiene gran aceptacinactualmente, debido a confirmaciones experimentales, tiene la siguienterepresentacin general.

Con su factor numrico K en unidades mtricas, la representacin de la formula esla siguiente.

Donde:

Sf = Perdida de carga unitaria, m/m

Q = Caudal, m3/sD = Dimetro, m

C=Coeficiente de rugosidad que depende del material y estado de las superficiesinternar de la tubera.

De acuerdo a las unidades que se emplea en cada uno de los elementos de la

formula, el factor K, que es la constante de conversin de unidades, cambia su valor,que a continuacin se indica algunas representaciones de la formula:

17.1

85.1

D

vKSf

87.485.1

85.1643.10

DC

QSf

7.3. Formula de Hazen Williams

Representaciones de la formula H-W:


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Representaciones de la formula H-W:

1.-Donde:

Q= Caudal en m3/s

C= 150, coeficiente rugosidad tubera PVC, PE.

D= Dimetro interno de la tubera en m.

J= Perdida de carga enm

L= Longitud de tubera en m

J/L= S, gradiente hidrulico en m/m.

2.-

q =Caudal en l/hCd= Coeficiente de rugosidad. Plstico C = 150

Fibrocemento C = 140

Acero nuevo C = 120

Acero usado C = 110

d= Dimetro interior de la tubera en mm

J = Perdida en carga en m.

3.- Donde:

J= Perdida de carga en m

Q= Caudal en l/s.

C= Coeficiente de rugosidad, valores de C, en funcin del material.

d= Dimetro interno de la tubera en mm

54.0

63.22788.0

LJCDQ

54.063.2013.0 JCdq

84.485.1

85.1

54.3109dC

qJ


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4. Donde:Sf = perdida de carga unitaria en m/m.Q = caudal en m3/s.D =Dimetro enmC = coeficiente de seguridad, que depende dela naturaleza (material y estado) de las paredes de los tubos.

5.

Donde:

J =perdida de carga por friccin en m/Km.K = Constante de conversin de unidades = 1.131 x 10 12.Q = Caudal de flujo expresado en m3/hora.C = Coeficiente de rugosidad de la tubera, valor en funcin delmaterialD = Dimetro interno de la tubera expresado en mm.L = Longitud del tramo de tubera que se calcula expresada en Km.

87.4852.1

852.1

DC

QKJ

87.485.1

85.1643.10

DC

QSf


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87,485,185,1***643,10

DCQJ

LDC

Qhf 871.4852.1

852.1

641.10


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