RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO I .- Cálculo de la Población de Proyecto p Pf = ( 1 + t ) Pa Pf = t= p= Pa = Población de proyecto, en habitantes Tasa histórica de crecimiento poblacional en la localidad, en porciento decimal Período de diseño, en años Población actual estimada, en habitantes Datos : t= p= Pa = 1.122 % 20 años 3,036 habitantes Pf = ( 1 + 0.011 ) 20 × 3,036 = 3,795 habitantes II .- Cálculo de los Gastos de Proyecto Qmedio diario = (Población × Dotación ) / 86,400 Qmáx. diario = Cvd × Qmedio diario Qmax. horario = Cvh × Qmáx. diario Qdiseño = (24 / Tb) × Qmáx. diario Dotación = Población = Cvd = Coeficiente de variación diaria = Cvh = Coeficiente de variación horaria = Tb = Tiempo de bombeo diario = Qmedio diario= ( 3,795 300 lts / hab / día 3,795 habitantes 1.40 1.55 12 horas × 300 ) / 86,400 = 13.2 lps Qmáx. diario = 1.40 × 13.2 = 18.5 lps Qmax. horario = 1.55 × 18.5 = 28.7 lps 12 )× 18.5 = 37.0 lps Qdiseño = ( 24 / 1 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO Nota : El gasto de diseño se utiliza para determinar el diámetro de la línea de conducción y seleccionar el equipo de bombeo. El Gasto Máximo Diario sirve de referencia para calcular el volumen de regularización requerido en el proyecto, mientras que el Gasto Máximo Horario se ocupa en la revisión del funcionamiento y diseño hidráulico de la red de distribución. III .- Cálculo del diámetro de la Línea de Conducción Para el caso de gastos pequeños y líneas de conducción relativamente cortas, se aplica la siguiente formula para obtener el diámetro económico de la línea de conducción. Qdiseño D = 1.30 Q = Gasto de diseño, en lps D = Diámetro de la conducción, en pulgadas D= 1.30 37.0 = D= 7.9 " 8 " IV .- Cálculo de la carga total de bombeo Ht = He + Hfs + Hfd Ht = Carga total de bombeo, en m He = Carga estática total, en m Hfs = Pérdidas por fricción en la succión, en m Hfd = Pérdidas por fricción en la conducción, en m Cálculo de He He = (he + ht + d) + N.D. he = Desnivel topográfico del terreno natural entre el sitio donde se ubica el tanque de regulación y la fuente de captación ht = Altura de la estructura de soporte del tanque d = Tirante máximo de agua dentro del tanque N.D. = Nivel dinámico del agua en la fuente de captación He = 21.50 0.00 2.00 18.30 m m m m 41.80 m Cálculo de Hfs 2 Hfs = k Lc Q k = Constante de la fórmula de Manning, adimensional. Lc = Longitud de la columna del equipo de bombeo, en m 3 Q = Gasto de diseño, en m /seg 2 16/3 k = 10.294n / D n = Coeficiente (de acuerdo al tipo de material de la tubería de la columna), adimensional D = Diámetro de la columna de bombeo, en m 2 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO Determinación del diámetro de la columna del equipo de bombeo El diámetro de la columna de bombeo será igual al diámetro del orificio de descarga de la bomba, el cual puede variar dependiendo de la marca comercial de la misma. En este caso se está proponiendo la utilización de una bomba sumergible marca GOULDS, por lo que los datos que se manejan a continuación están referidos a esta marca. Qdiseño = 37.0 lps 586 GPM Por lo tanto, consultando el catálogo de bombas sumergibles GOULDS, se obtiene que el modelo 6DLC020 es el que proporciona el gasto más cercano al de diseño, observándose que el diámetro del orificio de descarga de la bomba es de : 8 " Nota : Se anexan las características y datos técnicos de la bomba propuesta (Anexo Nº 1). De acuerdo a lo anterior, los datos correspondientes a la columna de bombeo son los siguientes : D= 0.2032 m por considerarse : FoGo (tipo de material) n= 0.014 Lc = 45.72 m 150 pies k= 10.294 ( )² 0.014 / ( 0.2032 16/3 ) = 9.91 = 0.62 m Además : Q= 37.0 lps = 9.91 × 3 m / seg 0.037 Por lo que : Hfs = 45.72 × ( 0.037 2 ) Cálculo de Hfd Hfd = hft + hfc hft = Pérdidas por fricción en la tubería de la línea de conducción, en m hfc = Pérdidas por fricción en el crucero del equipo de bombeo, en m Cálculo de hft hft = Fm k Lt Q² Fm = Factor de incremento por pérdidas menores en la línea de conducción, adimensional k = Constante de la fórmula de Manning, adimensional. Lt = Longitud de la tubería de la línea de conducción, en m 3 Q = Gasto de diseño, en m /seg 3 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO En este proyecto, la línea de conducción se compondrá por tuberías de PVC y FoGo de 6" de diámetro, por lo que : Para tubería de PVC, S.I. RD-41 : D= 0.2032 m n= 0.009 k= 10.294 Lt = ( 932.00 m k= ( Lt = 57.72 Además : Fm = ) 0.014 ) 16/3 = 4.09 16/3 = 9.91 / ( 0.2032 ) / ( 0.2032 ) m Para tubería de FoGo : D= 0.2032 n= 0.014 10.294 2 0.009 2 m 1.05 Q= 37.0 lps = 0.037 3 m / seg Por lo que : hft = 1.05 × ( [( 0.037 4.09 2 ) × 932.00 ) + ( 9.91 × = 57.72 )] 6.3 m Cálculo de hfc 2 hfc = k Le Q k = Constante de la fórmula de Manning, adimensional. Le = Longitud equivalente en tubería de las piezas especiales y válvulas que componen el crucero del equipo de bombeo, en m 3 Gasto de diseño, en m /seg Q= Cálculo de Le Inicialmente se considera que el crucero del equipo de bombeo tiene un diámetro igual al de la línea de conducción. Posteriormente, cuando se realice la selección del eqipo de bombeo, se determinará si se 4 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO deja este diámetro, o si se considera otro menor. De acuerdo a esto, se tiene que : D= 0.2032 m Por lo que Le, se obtiene a partir de la información proporcionada por la siguiente tabla : Pieza especial o válvula 8 " 8 " × 90º 8 " de diám. 8 " de diám. 2", de paso directo 8 " × 8 " de diám. abierta 8 " × 45º Niple de FoGo Codo de FoGo Medidor de Gasto de Válvula Check de Tee de FoFo de Válvula de compuerta de Codo de FoGo de Long equivalente en tubería, en m 0.7 m 2.8 m 23 m 12.9 m 6.7 m 0.7 m 3.4 m Le = 50.2 m Nota : Con el fin de ilustrar el cálculo de Le, se anexa a esta memoria de cálculo la siguiente información : 1.Dibujo esquemático del crucero del equipo de bombeo (Anexo Nº 2) 2.Tabla 3.40 del libro "Fundamentos de hidráulica general" de Paschoal Silvestre, utilizada para determinar las longitudes equivalentes en tubería, de piezas especiales y válvulas (Anexo Nº 3) 3.Hoja de información técnica del medidor de gasto que proporciona la pérdida de carga en el mismo (Anexo 4) El crucero del equipo de bombeo se construirá con piezas especiales de FoGo y FoFo, por lo que : n= 0.014 Entonces : k= 10.294 ( 2 ) 0.014 / ( 0.2032 16/3 = 9.91 2 = 0.68 m ) Además : Q= Le = 37.0 lps = 9.91 × 3 m / seg m 0.037 50.2 Por lo tanto : hfc = 50.2 Hfd = 6.3 × ( 0.037 ) + 0.68 = 6.98 m + 6.98 = 49.4 m Conclusión : Ht = He + Hfs + Hfd Ht = 41.8 V .- Selección del equipo de bombeo Qdiseño = 37.0 lps Ht = 49.4 m Tipo equipo propuesto : Catálogo técnico consultado : + 0.62 586 GPM 162.07 pies Sumergible Bombas sumergibles Mca. Goulds 5 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO Nº de modelo seleccionado : 5CHC020 Este modelo es el que más se ajusta a los requerimientos del proyecto, ya que de acuerdo a los datos obtenidos de la curva de rendimiento, se estima que suministrará un gasto de : 35.7 lps ( 141 GPM) con una carga total de bombeo de : 61.89 m (203 pies), con una eficiencia del 75 %, la cual corresponde a la máxima que puede proporcionar este modelo. El motor eléctrico propuesto para accionar la bomba sumergible es de la marca Franklin Electric, con una potencia de 20 HP, requiriendo una alimentación eléctrica de 220 volts, en tres fases. Se anexan la curva de rendimiento y los datos técnicos del equipo de bombeo seleccionado (anexo Nº 5) La columna de bombeo se compondrá de 60 m de tubería de FoGo de 101.60 mm (4") de diámetro, una válvula de retención vertical de este mismo diámetro y un niple de FoGo de 4" Por otro lado, de acuerdo al comportamiento de la curva de rendimiento de la bomba seleccionada, se determina que no es conveniente reducir el diámetro del crucero del equipo de bombeo, requiriéndose únicamente la instalación adicional, o modificación, de las piezas especiales de FoGo necesarias para la conexión con la columna de bombeo. Se anexa el dibujo esquemático del crucero del equipo de bombeo, donde se indican las modificaciones realizadas al mismo. VI .- Revisión de la velocidad del agua en el crucero del equipo de bombeo Notas : 1.- Con el objeto de obtener resultados más apegados a la realidad, de aquí en adelante se utilizará en los cálculos, el gasto estimado que suministrará la bomba seleccionada 2.- Con el fin de evitar vibraciones y ruidos indeseables en el crucero del equipo de bombeo, se debe de cuidar que la velocidad del agua en el mismo no pase de 2.0 m/seg De acuerdo a las notas anteriores se tiene que : 3 m /seg Q= 0.0370 D= 0.2032 m Por lo que : 2 A = pD / 4 3.1416 ×( 0.037 / 0.2032 2 ) / 4 = 0.0324 m 2 Entonces : V= Q/A 0.0324 = 1.14 m/seg De acuerdo al resultado anterior V<2.0 m/seg, lo cual es correcto VII .- Selección del cable de alimentación eléctrica del equipo de bombeo sumergible Cálculo de la longitud del cable L = Lb + Lc + La Lb = Longitud de la bomba, en m Lc = Longitud de la columna del equipo de bombeo, en m La = Distancia entre la fuente de captación y el arrancador eléctrico, en m En este caso Lb = Lc = 0.89 m 45.72 m 6 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO La = L= 50.00 m 0.89 + Datos adicionales Potencia del motor : Tipo de corriente eléctrica : Voltaje de operación : 45.72 + 50.00 = 96.61 m 317 pies 20 HP Alterna 220 V Conclusión : De acuerdo a la longitud del cable y a los datos adicionales indicados anteriormente, se consulta la gráfica del catálogo para bombas sumergibles marca GOULDS la cual se anexa a esta memoria de cálculo (Anexo Nº 6), obteniéndose que el calibre del cable de cobre Nº 6 es más que suficiente para los requerimientos del proyecto, ya que permite una longitud máxima de XXX m (XXX pies). VIII .- Cálculo de la sobrepresión por golpe de ariete en la línea de conducción Fórmula de Lorenzo Allievi : hi = 145 V / 1 + (Ea D / Et e) hi = Sobrepresión por golpe de ariete en m V = Velocidad media del agua en la línea de conducción, en m/seg 2 Ea = Módulo de elasticidad del agua, 22,400 Kg/cm D = Diámetro interior de la tubería, en cm 2 Et = Módulo de elasticidad de la tubería, en Kg/cm e = Espesor de la tubería, en cm Datos de la tubería propuesta para utilizarse en la línea de conducción : Tipo de tubería : PVC hidráulico RD-41 de 4" de diámetro 7 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO Nota : No se considera la influencia de la tubería de FoGo por ser de longitud relativamente pequeña comparada con la longitud de la tubería de PVC. Se anexan los datos técnicos de la tubería propuesta (Anexo Nº 7) Entonces : D= e= 11.15 0.28 Et = 110,000 cm cm 2 Kg/cm Cálculo de la velocidad media en la línea de conducción 3 m /seg Q= 37.0 lps = 0.037 A= = 0.0324 / 0.0324 m 2 V= Q/A 0.037 Conclusión hi = 145 ( 1.14 )/ = 1 +( 22,400 × 1.14 m/seg 11.15 / 110,000 × = 0.28 ) 54.77 m IX .- Revisión de la capacidad de carga interna de la tubería de la línea de conducción Cálculo de cotas piezométricas Cp = Cpi - (Sp × Lp) Cp = Cota piezométrica en el punto revisado, en m Cpi = Cota piezométrica al inicio de la línea de conducción, en m Sp = Pendiente de la línea piezométrica, adimensional Lp = Longitud entre el inicio de la línea de conducción y el punto revisado, en m Cpi = Ctni + (he + ht + d) + hft Ctni = Cota del terreno natural al inicio de la línea de conducción, en m he, ht, d y hft = Variables calculadas anteriormente Sp = (Cpi - Cpf) / Lt Cpf = Cota piezométrica al final de la línea de conducción, en m (Cota del nivel máximo del agua en el tanque de regulación) Lt = Longitud total de la línea de conducción, en m 8 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO Cpf = Ctnf + ht + d Ctnf = Cota del terreno natural al final de la línea de conducción, en m Cálculo de Cpi Ctni = he = ht = d= hft = Cpi = 99.96 21.50 0.00 2.00 6.3 99.96 m m m m m +( Cálculo de Cpf Ctnf = 117.88 m Cpf = 117.88 + Cálculo de Sp Cpi = Cpf = Lt = 129.76 m 119.88 m 932.00 m Sp = ( 21.50 + 0.00 129.76 + - 0.00 + 2.00 ) 2.00 119.88 ) / + 6.3 = 129.76 m = 119.88 m 932.00 = 0.0106 = 122.87 m Cálculo de cota piezométrica en el punto medio de la línea de conducción Cpm = Cpi - (Sp × Lp) Lp = Cpm = 650.00 m 129.76 -( 0.0106 × 650.00 ) Cálculo de presiones normales de trabajo Pn = Cp - Ctn Pn = Presión normal de trabajo Cp = Cota piezométrica en el punto revisado, en m Ctn = Cota del terreno natural en el punto revisado, en m Presión normal de trabajo al inicio de la línea de conducción (Est. 0+000) En este punto Lp = 0.00 m Cp = Cpi = 129.76 m Ctn = 99.96 m Pn = 129.76 - 99.96 = 29.80 m 9 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO = 2.98 Kg/cm 2 Presión normal de trabajo en el punto medio de la línea de conducción (Est. 0+650) En este punto Lp = 650.00 m Cp = Cpm = 122.87 m Ctn = 97.29 m Pn = 122.87 - = 97.29 25.58 m = 2.56 Kg/cm 2 Cálculo de presiones máximas de trabajo Pt = Pn + (P × hi) Pt = Pn = P= hi = Presión máxima de trabajo en en punto revisado, en m Presión normal de trabajo en el punto revisado, en m Porcentaje de sobrepresión por golpe de ariete que absorberá la tubería, en decimales Sobrepresión por golpe de ariete, en m En este proyecto se considerá que la sobrepresión por golpe de ariete será absorbida totalmente por la tubería, por lo que : P= 1.00 Además hi = 54.77 m Por lo que : Pt = Pn +(1.00 × 54.77 ) = Pn + 54.77 Presión máxima de trabajo al inicio de la línea de conducción (Est. 0+000) En este punto : Pn = Por lo tanto : Pt = 29.80 29.80 + 54.77 = = 84.57 m 8.46 Kg/cm 2 Presión máxima de trabajo en el punto medio de la línea de conducción (Est. 0+650) En este punto : Pn = Por lo tanto : Pt = 25.58 25.58 + 54.77 = = 80.35 m 8.03 Kg/cm 2 Conclusión : De acuerdo a los resultados obtenidos anteriormente se concluye que se podrá utilizar tubería de PVC S.I. RD-41, en toda la línea de conducción. Esta tubería resiste una presión máxima de trabajo de 2 6.9 Kg/cm , por lo que como se observa, será más que suficiente para soportar las presiones máximas de trabajo que se presentan en el proyecto. 10 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO Nota : Se anexan datos técnicos de la tubería propuesta (Anexo Nº 8) X .- Determinación de la capacidad del transformador eléctrico requerido por el equipo de bombeo Para la determinación de la capacidad del transformador, se utiliza como referencia el "Manual de motores sumergibles Franklin Electric", donde se indican las capacidades operativas totales en KVA requeridas para los motores sumergibles de diferentes potencias, ya sean monofásicos o trifásicos. En este proyecto se utilizará un motor eléctrico sumergible trifásico de XXX H.P., por lo que de acuerdo a la tabla antes mencionada, se necesita un transformador de XXX KVA. Conclusión : Se propone la utilización de un transformador de XXX KVA, el cual además de ser el transformador comercial disponible más aproximado a los requerimeintos del proyecto, tiene la capacidad suficiente para satisfacer otras necesidades complementarias tales como el alumbrado de la caseta de operación y la alimentación eléctrica del equipo de cloración. Se utilizará el transformador de XXX KVA existente, el cual como se observa, tiene capacidad más que suficiente para satisfacer los requerimentos del proyecto. XI .- Selección del tablero de control eléctrico La selección del tablero de control eléctrico está en función de la potencia del motor utilizado en el equipo de bombeo, así como el voltaje de operación y tipo de corriente requeridos en el mismo. En este proyecto se utilizará un motor eléctrico de XXX H.P., trifásico, en XXX volts, por lo tanto, los componentes principales del tablero de conrol eléctrico serán los siguientes : * Un arrancador magnético, a tensión plena, para XXX H.P., en XXX volts, con interruptor termomagnético integrado, en gabinete de lámina NEMA * Un equipo de protección para el motor sumergible tipo Subtrol-plus Franklin Electric, para XXX H.P., en XXX volts. * Un interruptor termomagnético general para XXX amperes * Una base para medidor * Un marco de acero formado con ángulo de 1 ½" × 1 ½" × ¼" para la instalación del medidor y el interruptor termomagnético general Además, con el objeto de automatizar la operación del sistema, se instalarán electroniveles para controlar el llenado del tanque de regularización. También se instalará un interruptor eléctrico tipo flotador para proteger el equipo de bombeo en caso de abatimiento de la obra de captación. Selección del interruptor termomagnético general En algunos casos, como en el de este proyecto, la capacidad del transformador es mayor que la requerida por el equipo de bombeo, por lo que se hace necesaria la instalación de un interruptor termomagnético general junto al medidor, con el fin de proteger todo el sistema de alimentación eléctrica. para la selección de este interruptor, se necesita determinar el amperaje suministrado por la subestación eléctrica, lo cual se logra con la aplicación 11 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO de la siguiente fórmula : Amperaje = KVA × 1000 / 1.73 × E Donde : KVA = Potencia del transformador de la subestación eléctrica E = Voltaje suministrado por el transformador de la subestación eléctrica En este proyecto : KVA = E= 15 KVA 220 Volts Por lo tanto : Amperaje = 15 × 1,000 / 1.73 × 220 = 39.41 A Conclusión : De acuerdo al resultado anterior se concluye que un interruptor termomagnético para XXX Amperes será suficiente para cubrir los requerimientos de amperaje máximo que se presentarán en el proyecto. Así mismo, se determina que la base del medidor para estas condiciones deberá ser para XXX amperes. XII .- Determinación de la capacidad de regularización Para determinar la capacidad de regularización requerida en el proyecto se utiliza la siguiente fórmula : C = R × Qmd Donde : 3 C = Capacidad de regularización, en m R = Coeficiente de regularización, adimensional Qmd = Gasto máximo diario, en lps En este caso : R = 14.60, valor correspondiente a un tiempo de bombeo diario de 24 hrs, tomado de los resultados de observaciones realizadas por BANOBRAS en poblaciones pequeñas de la República Mexicana. Nota : Aún cuando el tiempo de bombeo diario considerado en este proyecto para obtener el gasto de diseño, es mucho menor al considerado para seleccionar el coeficiente de regularización, se ha observado que este valor es el que más se adapta a las condiciones prácticas de servicio acostumbradas en las localidades rurales del Estado de Sonora, por lo tanto es el que se utilizará para determinar el volúmen de regularización requerido en el proyecto, procurándose además el aprovechamiento máximo de la obra. De acuerdo a lo anterior se tiene que : Qmd = 37.0 lps Por lo que : C= 14.60 × 37.0 = 3 540.2 m Conclusión : * Para fines prácticos de diseño se considera para este proyecto C = 130 m 3 12 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO XIII .- Revisión del funcionamiento hidráulico de la red de distribución El análisis del funcionamiento hidráulico de la red de distribución se realiza bajo las siguientes consideraciones : 1.- La red se alimentará directamente por gravedad a partir del tanque de regularización 2.- El gasto de alimentación de la red de distribución es igual al gasto máximo diario 3.- Con el fin de obtener resultados más conservadores, se supone que la cota piezométrica máxima en el sitio de alimentación a la red, coincide con la cota del fondo del tanque de regularización (condición de tanque vacío) 4.- Se aprovechará la red existente suponiendo que está en buenas condiciones de operación, es decir, sin obstrucciones y con poco desgaste 5.- La ampliación de red de distribución de proyecto se realizará con tubería de PVC de XXX mm (XXX") de diámetro Conclusión : Se anexa el análisis hidráulico de la red de distribución donde se observa que las presiones disponibles son mayores 2 a 1 Kg/cm , la cual es la presión mínima aceptable para localidades rurales, por lo que se concluye que tanto la red existente, como la corrspondiente a la ampliación de proyecto, funcionarán adecuadamente. 13 de 14 RED DE AGUA POTABLE COLONIA SANTA CECILIA Obra : Construccion de Red Localidad : Santa Cecilia MEMORIA DE CALCULO 14 de 14