FLUJO EN TUBERIAS

TUBERIASLas tuberías trabajando “a presión” permiten conducirel agua, aún a contrapendiente. Para eso requieren decierta cantidad de energía por unidad de peso,“proporcionada por una unidad de bombeo”.

MATERIALES COMUNMENTEUSADOS

Plásticos (PVC, HDPE,PE)

Acero galvanizado

Cobre (K,L,M)

DISEÑO DE TUBERIAS CONCEPTO DE PERDIDAS DE CARGA

LINEA DE ENERGIA

COTA PIEZOMETRICA

NUMERO DE REYNOLDS Este número es adimensional y puede utilizarse para

definir las características del flujo dentro de una tubería.

El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento.

LAS PERDIDAS DE CARGA CONTINUAS, SE DEBEN

A LA FRICCION, Y SE CALCULAN POR MEDIO DELA FORMULA DE DARCY - WEISBACH

f ADIMENSIONAL

Donde:v = velocidad (m/s)g = aceleración grav. (9.81 m/s2)f = coeficiente de fricciónD= Diametro de la tuberia (m)

El coeficiente de fricción es adimensional y depende,,

de las características del flujo y del material de latubería, es decir f = f (Re, ε/D)

ESPESOR RELATIVO DE LA TUBERÍA se llama al

cociente entre la rugosidad ABSOLUTA y el diámetrode la tubería: ε/D

COEFICIENTE DE FRICCIONEl coeficiente de fricción depende de:• Rugosidad relativa de la tubería (e)• Nº de Reynolds

El valor de f se obtiene: Abaco de Moody Fórmula de Colebrook (necesita de aproximaciones

sucesivas) Otra ecuación que se puede emplear en régimen

turbulento rugoso, es la de Swamee y Jain.

k = K/DRUGOSIDADRELATIVA

k, es el «FACTOR DE RUGOSIDAD» o «RUGOSIDAD RELATIVA», significa que un tubo nunca es perfectamente liso, sino que tiene sus rugosidades propias del material y del proceso de fabricación; y que una misma rugosidad afecta de distinta manera si el diámetro del tubo es pequeño (afecta mas) o si el diámetro del tubo es grande (afecta menos)

Analizando la ecuacion, teniendo en cuenta que el denominador esta precedido de un logaritmo, se puede desprender que :

A mayor Reynolds menor f

A mayor k, menor f

PERDIDAS DE CARGASFRICCIONALES

DARCY - WEISBACH

La formula de Darcy–Weisbach puede ser re-escrita en el formato estándar depérdida de carga como:

HAZEN - WILLIAMS

FAIR – WHIPPLE - HSIAO

PERDIDA DE CARGA LOCALIZADA PERDIDA SINGULAR

METODO DE LONGITUD EQUIVALENTE

Expresada como N° de diámetros o unidades de longitud

Longitud equivalente = L/D x D = L Con L entró a la fórmula de pérdida de carga

TAREA: DETERMINAR LAS PERDIDAS DE CARGASSINGULARES Y FRICCIONALES DEL SISTEMA DE TUBERIAS

Reglamento de Instalaciones Domiciliariasde Agua Potable y Alcantarillado (RIDDA)

1. INSTALACION DOMICILIARIA DE AGUA POTABLE Las obras necesarias para dotar de este servicio a un

inmueble desde la salida de la llave de paso colocada acontinuación del medidor o de los sistemas propios deabastecimiento de agua potable, hasta los artefactos.

2. INSTALACIONDOMICILIARIADE ALCANTARILLADO DE AGUAS SERVIDAS

Las obras necesarias para evacuar las aguas servidas domésticas del inmueble, desde los artefactos hasta la última cámara domiciliaria, inclusive, o hasta los sistemas propios de disposición.

3. ARRANQUE DE AGUA POTABLE El tramo de la red pública de distribución,comprendido desde el punto de su conexión a latubería de distribución hasta la llave de paso colocadadespués del medidor inclusive.

4. UNION DOMICILIARIA DE ALCANTARILLADO El tramo de la red pública de recolección comprendido

desde su punto de empalme a la tubería derecolección, hasta la última cámara de inspeccióndomiciliaria exclusive.

DEFINICIONESArtículo 40º: Para los efectos de las normas técnicas a que se refiere esta parte del Reglamento, seentenderá por:

a) BOCA DE ADMISION: Es el extremo más alto de una tubería o cámara de inspección de lainstalación domiciliaria de alcantarillado, destinada a recibir aguas servidas domésticas.b) CAPACIDAD NOMINAL DE UN MEDIDOR: Conocida también con la designación de "GastoCaracterístico", significa el caudal al cual el medidor debe funcionar en forma permanente ysatisfactoria bajo condiciones normales de uso.c) GASTO MAXIMO PROBABLE (QMP): Concepto probabilístico mediante el cual se cuantifica elmáximo caudal con el que deben diseñarse las instalaciones de agua potable de inmuebles quetienen una determinada característica de consumo.d) CIERRE HIDRAULICO: Accesorio o aparato diseñado y construido de manera de proporcionar,cuando es adecuadamente ventilado, un sello líquido que previene el retroceso de los gases, sinafectar el flujo de las aguas servidas que escurren a través de él.e) LONGITUD EQUIVALENTE: Es una longitud estimada de tubería que representa, para losefectos de cálculo, las pérdidas de carga singulares, es decir aquellas ocasionadas por piezasespeciales y accesorios de unión.m) VENTILACION: Tubería o sistema de tuberías instaladas para proveer un flujo de aire hacia ydesde el sistema de alcantarillado o para proporcionar una circulación de aire dentro del sistema aobjeto de proteger los cierres hidráulicos de sifonaje.

f) RAMAL: Tubería que recibe los efluentes de los artefactos sanitarios y se

empalma con la tubería de descarga o tubería principal.g) REGISTRO: Pieza especial destinada a facilitar el acceso a los ramales ydescargas, con fines de desobstrucción.h) TUBERIA DE DESCARGA: Es la canalización de bajada vertical a la queempalman los ramales, destinada a la conducción de las aguas servidasdomésticas.i) TUBERIA DE DESCOMPRESION: Es la canalización que se instala a lasdescargas de los edificios de más de ocho pisos, que se conecta con elextremo inferior de la descarga, con una ventilación, con una cámara deinspección o con tramos superiores de la misma descarga y cuyo objeto esevitar que el aire contenido en las tuberías adquiera presiones queproduzcan sifonaje y otras anormalidades en los artefactos.j) TUBERIA INTERCEPTORA: Es aquella que recibe cualquier otra tuberíalateral y es distinta a la descarga.k) TUBERIA PRINCIPAL: Es la que recibe las ramificaciones, comienza enla tubería de ventilación principal y termina en la unión domiciliaria.l) UNIDAD DE EQUIVALENCIA HIDRAULICA (UEH): Conceptoprobabilístico, en términos del cual se cuantifica la contribución de gasto alsistema de tuberías de la instalación domiciliaria de alcantarillado, de cadauno de los artefactos instalados, expresado en una determinada escala.

Diseño y cálculo de las InstalacionesDomiciliarias de Agua Potable

DETERMINACION DE PERDIDAS DE CARGA

PARA INSTALACIONES DE AGUA POTABLE (IDAP) ALIMENTADAS DESDE LAMATRIZ LA PRESION EN EL ARTEFACTO MAS DESFAVORABLE NO DEBE SERMENOR A 4 mca.

PARA INSTALACIONES DE AGUA POTABLE (IDAP) ABASTECIDAS A DESDEMEDIOS MECANICOS LA PRESION EN EL ARTEFACTO MAS DESFAVORABLENO DEBE SER MENOR A 7 mca, NI UNA VELOCIDAD SUPERIOR A 2,5 m/s

CAUDAL INSTALADO (QI) Caudal instalado (QI) se evalúa asignando un

caudal a cada artefacto según la tabla de la NormaNCh 2485 of. 2000 siguiente:

VERIFICACION DEL MEDIDOR Cálculos y condiciones del medidor: Pérdida de carga en el medidor Para el cálculo de la pérdida de carga en el medidor podrá

utilizarse la fórmula siguiente, para medidores detransmisión mecánica de diámetro igual o inferior a 38mm.

𝐾 = 0.036𝐾𝐾 𝐾 2𝐾

QMP : Gasto máximo probable en L/min.C : Capacidad máxima del medidor en m3/día.K : Pérdida de carga en m.

Capacidad máxima de los medidores

Para la determinación del diámetro del medidor se podrá

utilizar la tabla siguiente hasta un diámetro de 38 mm. oespecificaciones del fabricante. Para diámetros superioresdeberá recurrirse a las especificaciones del fabricante delmedidor correspondiente.

Diámetro Consumo máximo Gasto máximomedidor diario (m3/dia)probable(mm) CQMP(lt/min) 13350 19580 257117 3820333

El cálculo de las pérdidas de carga se iniciará en la llave depaso ubicada después del medidor, siendo necesarioconsiderar aquellas producidas en las tuberías de lainstalación interior y calentador empleado, indicando lascaracterísticas técnicas de este último en el plano delproyecto.

La presión mínima para el diseño de la instalaciónDomiciliaria de agua potable será la establecida en laNorma Chilena NCh 2485. En los casos de excepción quepermite esta norma, respecto a que no se alcance la presiónmínima 14 m.c.a. después de la llave de paso aguas abajodel medidor, el prestador deberá justificar técnicamenteesta situación teniendo presente que la red pública debecumplir siempre con las presiones mínimas especificadasen la NCh 691.

ENVEJECIMIENTO DE TUBERIAS A pesar de que las tuberías son cada vez más lisas en el momento de salir de

fábrica, el tiempo de funcionamiento influye muy notablemente en la rugosidad absoluta del material, en el coeficiente de frotamiento f y, por tanto, en las pérdidas de carga hf, haciéndose las tuberías más rugosas con el paso del tiempo.

Si bien no se puede cuantificar perfectamente la incidencia de los parámetros que influyen en el coeficiente de frotamiento, si se pueden considerar clasificados en tres grupos:

Parámetros fisicoquímicos de la tubería, es decir el acabado y elmaterial de fabricación.

Parámetros fisicoquímicos del fluido, es decir, su acidez, dureza,sustancias en suspensión, minerales, los cuales pueden dar lugar aformación de incrustaciones como en el caso de sustancias calcáreas, óerosionar la tubería disminuyendo su espesor, como en el caso de arenas ensuspensión.

Parámetros hidráulicos, es decir la velocidad de circulación y la presión.

Una velocidad demasiado baja facilita laacumulación de sedimentos en el interior de latubería, originando una considerable disminuciónde su diámetro, aparte del natural aumento derugosidad, con lo cual las pérdidas de cargaaumentan considerablemente.

Por el contrario, una velocidad demasiado elevada

produce un efecto de erosión o desgaste del espesordel tubo, pudiendo llegar a deteriorarse con el pasodel tiempo

MAQUINAS HIDRAULICAS

BOMBAS : APORTAN ENERGIA AL SISTEMA TURBINAS : ABSORBEN ENERGIA DEL SISTEMA

LA PRESENCIA DE UNA BOMBA, SIGNIFICA UNA

ELEVACION DE LA LINEA DEENERGIA

INSTALACIÓN DE BOMBEO. PUNTO DEFUNCIONAMIENTO

Se denomina Altura manométrica de la instalación a laenergía necesaria para transportar un determinadocaudal de líquido desde el depósito inferior(aspiración) al superior (impulsión), es decir será ladiferencia de energías entre ambos depósitos másla pérdida de carga en las tuberías de aspiración eimpulsión.

Por otra parte Altura manométrica de la bomba es laenergía útil que la bomba le comunica al líquido, esdecir será la diferencia de energías totales que tiene ellíquido entre la salida y la entrada de la bomba para undeterminado caudal.

TIPOS DE BOMBAS Centrífugas

Son las más usadas en Ingeniería Civil. Cubren un

amplio rango de caudales y alturas de elevación.

Axiales

Bajas alturas de elevación (menos que 12 m) y caudales

elevados (sobre 20 lts).

Mixtas

BOMBAS CENTRIFUGAS

CEBADO: Operación que consiste en extraer el aire de

la tubería de aspiración y de la bomba para que quedellena con líquido.

BOMBAS MIXTAS

POTENCIA DE LA BOMBA POTENCIA= TRABAJO/ UNIDAD DE TIEMPO

POTENCIA = γQH (Real)γ : peso especifico del fluidoQ: caudal m3/sH: energía total respecto al plano de referencia (H)

SE LLAMA POTENCIA DE UNA CORRIENTE LIQUIDAA SU ENERGIA POR UNIDAD DE TIEMPO

CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS Son relaciones entre la altura de elevación dinámica, la

potencia y la eficiencia de la bomba con el caudal. Esinformación suministrada por el fabricante.

Debe elegirsela que mejorsatisface lasnecesidadesdel proyecto

DIMENSIONAMIENTO DE LASBOMBAS

La potencia de la bomba podra calcularse por la

formula siguiente

EJERCICIO

EJERCICIO DE PRACTICA

Se le ha asignado la construcción de un sistema de bombeo, desde un estanque de 5 metros de altura (estanque 1), hacia un estanque elevado a una cota de 100 metros hasta su base (estanque 2). El estanque elevado tiene una capacidad de 2 metros cúbicos y altura 2 metros, el cual es utilizado para abastecer una faena cuya demanda continua es de 50 litros por minuto. Dispone de una bomba cuya potencia es de 10 hp (potencia real, la eficiencia es del 80 %). Desde el estanque 1 a la bomba la salida es horizontal con un diámetro nominal de 5 pulgadas y una longitud de 20 metros, y de la salida de la bomba al estanque elevado el diámetro nominal es de 4 pulgadas y la longitud es de 100 metros.

En cuanto tiempo se llena el estanque, considerando que se impulsan 70 litros por minuto

Verificar si la bomba cumple con lo especificado, sino debe adquirir otra bomba con eficiencia del 80%. Indicar potencia real y efectiva

Si se instala la bomba inicial cual es el caudal que es posible impulsar, si se impulsa menos que lo que necesita la faena, en cuanto tiempo se vacía el estanque

Cual debe ser la potencia de la bomba para impulsar lo mismo que consume la faena Datos: f= 0.02 espesor 5”= 1.3 mm k1(salida estanque)= 1espesor 2” = 1.0 mm k2 (entrada a estanque) = 0.5espesor 1” = 0.5 mm k3 (entrada bomba) = 0.7 k4 (salida bomba) = 0.5 entre la bomba y el estanque elevado existe una perdida por conjunto de artefactos

varios de 3 metros, mientras que entre la bomba y el estanque inicial es de 1 metro

Se le ha asignado la construcción de un sistema de bombeo, desde un estanque de 5 metros de altura (estanque 1), hacia un estanque elevado a una cota de 100 metros hasta su base (estanque 2). El estanque elevado tiene una capacidad de 2 metros cúbicos y altura 2 metros, el cual es utilizado para abastecer una faena cuya demanda continua es de 250 litros por minuto. Dispone de una bomba cuya potencia es de 5 hp (potencia real, la eficiencia es del 80 %). Desde el estanque 1 a la bomba la salida es horizontal con un diámetro nominal de 4 pulgadas y una longitud de 20 metros, y de la salida de la bomba al estanque elevado el diámetro nominal es de 2 pulgadas y la longitud es de 100 metros.

En cuanto tiempo se llena el estanque, considerando que se impulsan 270 litros por minuto

Verificar si la bomba cumple con lo especificado, sino debe adquirir otra bomba con eficiencia del 80%. Indicar potencia real y efectiva

Si se instala la bomba inicial cual es el caudal que es posible impulsar, si se impulsa menos que lo que necesita la faena, en cuanto tiempo se vacía el estanque

Cual debe ser la potencia de la bomba para impulsar lo mismo que consume la faena Datos: f= 0.02 espesor 5”= 1.3 mm k1(salida estanque)= 1espesor 4” = 1.0 mm k2 (entrada a estanque) = 0.5espesor 2” = 0.5 mm k3 (entrada bomba) = 0.7 k4 (salida bomba) = 0.5 entre la bomba y el estanque elevado existe una perdida por conjunto de artefactos

varios de 3 metros, mientras que entre la bomba y el estanque inicial es de 1 metro

HIDROPACK METODOLOGÍA PARA EL DIMENSIONAMIENTO Y

EL DISEÑO DEL SISTEMA DEL EQUIPO DEBOMBEO PARA EDIFICIOS

CALCULO DEL TANQUE HIDRONEUMATICO

CICLOS DE BOMBEO Se denomina ciclos de bombeo al numero de arranques de una

bomba en una hora. Cuando se dimensiona un tanque se debe considerar la

frecuencia del número de arranques del motor en la bomba. Si el tanque es demasiado pequeño, la demanda de distribución normal extraer. el agua útil del tanque rápidamente y los arranques de las bombas serán demasiado frecuentes. Un ciclo muy frecuente causa un desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia.

Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora, el ciclo de cuatro (4) arranques/hora se usa para el confort del usuario y se considera que con mas de seis (6) arranques/hora puede "haber" un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo y excesivo consumo de energía eléctrica.

PRESIONES DE OPERACION DELSISTEMA HIDRONEUMATICO

PRESION MINIMA

La presión mínima de operación Pmin del cilindro en

el sistema hidroneumático deberá ser tal que garanticeen todo momento, la presión requerida (presiónresidual) en la toma mas desfavorable y podrá serdeterminada por la fórmula siguiente

Un tanque hidroneumático tiene la capacidad paraalmacenar un determinado volumen de agua entredos valores de presión (entre Pa y Pb) gracias a lacompresibilidad del aire que contiene estanco. Estevolumen, denominado VOLUMEN A PRESION,VOLUMEN DE REGULACION O ACUMULACION(Vr), permite obtener un ciclo entre partidas sucesivasde la bomba cuando el consumo es menor que Qa ytambién menor que Qb. De hecho, la magnitud del Vrdetermina el ciclo entre partidas sucesivas. Dicho ci-clo está en función de la potencia del motor de labomba. En consecuencia, para calcular un tanquehidroneumático SE DEBE COMENZAR PORCALCULAR SU Vr, según la siguiente ecuación:

Vr=

donde:

Qm * t--------------- 4

Qm = (Qa + Qb) / 2 (caudal de bombeo promedio) (lts)

Si se desconoce las características de la bomba, Qm = ¾ QMP

Usualmente los encargados de los proyectos consideran un diferencial de presiónde 10 mca (Pb – Pa)=10 mca

Mientras mayor sea el diferencial de presión y menor el tiempo entre partidas delos motores, más pequeña resulta la capacidad del estanque de presión.

Las bombas estarán funcionando entre dos puntos de

operación de presión y por consiguiente de caudal, porlo que al no ser un punto único, no podrá estarpermanentemente en su punto óptimo de eficiencia.

Tiempo de Partidas Horaria (T): (min.) La tabla a) sugiere unarelación mínima entre Ty la potencia del motor.

siendo:

Por su parte, el volumen del tanque hidroneumático,Vh, (con membrana separadora de aire/agua y con aire pre-inyectado a Pa) se determina mediante la siguientefórmula:

Vh (VOLUMEN TANQUE HIDROPACK) = Vr (Pb + 1) (lts)

(Pb – Pa)

RESUMEN Calculo del volumen del hidroneumático.

Qa QbQm 𝐾 2

Donde

QmQaQbTPaPbVrVh

Qm *TVr 4

Vr ( Pb 1)Vh 𝐾 ( Pb Pa )

= Caudal promedio de la motobomba (lts/min.)= Caudal de partida de la motobomba (lts/min.)= Caudal de parada de la motobomba (lts/min.)= Tiempo entre partidas de motobomba (min.)= Presión de conexión o partida de la motobomba (atm.)= presión de desconexión o parada de motobomba (atm.)= Volumen de regulación o de acumulación (lts)= Volumen del estanque hidroneumático (lts)

EJEMPLO DE CALCULO Según la planilla de cálculo de pérdidas de carga,

caudales y presiones, el equipo de bombeo debe teneruna altura manométrica en la impulsión de al menos27 mca.(PRESION MAS DESFAVORABLE EN ELULTIMO ARTEFACTO CONSIDERANDO LOS 7mca ADICIONALES POR IMPULSION PORMEDIO MECANICO)

Para la elección de la motobomba : 27 mca

VOLUMEN DE REGULACION

Potencia (P)Tiempo (T)

: 4 HP (elección): 1.5 minutos (tabla a)

Para la elección de la bomba, se debe considerar la alturatotal de elevación y el caudal a elevar)

PRESIONES

Considerando un rango de presiones entre Pa y Pb de10 mca, tenemos lo siguiente:

Pa = 28mca = 2.8atm. Pb = 38mca = 3.8atm.

CAUDALES DE BOMBEO (dependen de la

motobomba).

Qa a PaQb a Pb

::

260 lts/min.160 lts/min.

Qa Qb260 160 Qm 𝐾𝐾𝐾 210lts / min 22

Caudal Medio (Qm) : 210 lts/min.

CALCULO DEL VOLUMEN HIDRONEUMATICO

Volumen de Regulación (Vr)

Qm * T 210 *1,5

Vr 78,75 lts 79 lts 44

Volumen Hidroneumático (Vh)

Vr ( Pb 1) 79 3,8 1 Vh 𝐾𝐾𝐾 379,2(lts ) 𝐾 380(lts )

( Pb Pa) 3,8 2,8 Se instalará un hidroestanque de capacidad mínima 380 lts

Cálculo del Estanque Hidroneumático : (lts.) Finalmente se calcula el volumen del estanque

hidroneumático, que tendrá una relación (Vr)resultante y la presión máxima de trabajo (Pb), y unainversa al rango elegido: