LÍNEA DE CONDUCCIÓN CURSO : Ingeniería Sanitaria CICLO : VII DOCENTE : Ing. Alex Arquímedes Herrera Viloche INTEGRANTES : - Alberca Abad, Cristian Contreras Lara, Alexis Díaz Bocanegra, Ángelo Cueva Tocto, Jhonatan García Gallardo, Marili Rodríguez Silva, Claudia Salazar Paredes, Segundo Tantajulca Correa, Danny Valenzuela De la Cruz, Rodolfo Zamora Chapoñan, Cristian TRUJILLO ABRIL – 2018 ÍNDICE LÍNEA DE CONDUCCIÓN ................................................................................................................ 1 I. DEFINICIÓN............................................................................................................................ 1 II. TIPOS DE CONDUCCIÓN ........................................................................................................ 1 2.1. Conducción por Gravedad ............................................................................................. 1 2.2. Conducción por Bombeo ............................................................................................... 1 2.3. Conducción por Bombeo-Gravedad .............................................................................. 2 III. ALTERNATIVA DE CONDUCCIÓN ....................................................................................... 2 3.1. Red de Conducción........................................................................................................ 2 3.2. Líneas Paralelas ............................................................................................................. 2 IV. CRITERIOS DE DISEÑO ....................................................................................................... 2 4.1. Carga Disponible............................................................................................................ 2 4.2. Gasto de Diseño ............................................................................................................ 3 4.3. Clase de Tubería ............................................................................................................ 3 4.4. Diámetros ...................................................................................................................... 4 4.5. Estructuras Complementarias ....................................................................................... 4 V. 4.5.1. Cámara de Válvula de Aire .................................................................................... 4 4.5.2. Cámara de Válvula de Purga ................................................................................. 5 4.5.3. Cámaras Rompe-presión ....................................................................................... 5 DIMENSIONAMIENTO ........................................................................................................... 6 5.1. La Línea de Gradiente Hidráulica .................................................................................. 6 5.2. Pérdida de Carga ........................................................................................................... 6 5.2.1. Pérdida de Carga Unitaria ..................................................................................... 6 5.2.2. Pérdida de Carga por Tramo ................................................................................. 6 5.3. Presión........................................................................................................................... 7 5.4. Combinación de tuberías .............................................................................................. 7 5.5. Perfiles en U .................................................................................................................. 8 VI. SERIES DE TUBERÍAS Y DIÁMETROS NOMINALES.............................................................. 8 6.1. Clasificación de Tuberías ............................................................................................... 8 6.2. Diámetros Nominales .................................................................................................... 9 VII. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 11 LÍNEA DE CONDUCCIÓN I. DEFINICIÓN Es la línea que transporta el agua desde la captación hasta el punto de entrega, que usualmente es el reservorio de regulación, pero eventualmente puede ser la planta de tratamiento o puede ser directamente a la red de distribución cuando el caudal de conducción corresponde al caudal máximo horario, lo que hace innecesario el reservorio de regulación. Sólo se requiere un pequeño reservorio para la cloración. II. TIPOS DE CONDUCCIÓN De acuerdo a lo anterior, el abastecimiento del agua a los usuarios, puede realizarse de las siguientes maneras: 2.1. Conducción por Gravedad Una conducción por gravedad se presenta cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezométrica requerida o existente en el punto de entrega del agua, el transporte del fluido se logra por la diferencia de energías disponible. Es decir, se hace uso de la topografía existente de manera que la conducción se lleve a cabo sin necesidad de bombeo y se alcanza un nivel aceptable de presión. Algunas ventajas de este esquema son la inexistencia de costos de energía, operación sencilla, bajos costos de mantenimiento y reducidos cambios de presión 2.2. Conducción por Bombeo La conducción por bombeo es necesaria cuando se requiere adicionar energía para transportar el gasto de diseño. Este tipo de conducción se usa generalmente cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es menor a la altura piezométrica requerida en el punto de entrega. El equipo de bombeo proporciona la energía necesaria para lograr el transporte del agua. En ciertos casos cuando aún no se cuenta con un tanque de almacenamiento para la provisión y balance de la demanda de agua, es común que el agua sea bombeada directamente a la red, esto pudiera aparentar una cierta ventaja dado que no se tiene el tanque de regulación respectivo que permita realizar una distribución a gravedad en la red, sin embargo, se deberá instalar en estos casos lo antes posible el tanque respectivo para que cese la operación con entrega directa de bombeo. Durante el tiempo que se pretenda realizar la entrega directa a la red se deberán tomar precauciones adicionales, como contar con una fuente de poder alternativa en el bombeo, automatizar el mismo en su operación, dar el mantenimiento de manera estricta a los equipos de bombeo, y lo más importante es que la fuente de abastecimiento debe ser capaz de proporcionar el gasto máximo horario que se demande, ya que de lo contario se tendrá déficit en el suministro. 1 2.3. Conducción por Bombeo-Gravedad Si la topografía del terreno obliga al trazo de la conducción a cruzar por partes con mayor elevación que la superficie del agua en el tanque de regularización, conviene analizar la colocación de un tanque intermedio. La instalación de dicho tanque ocasiona que se forme una conducción por bombeo-gravedad, donde la primera parte es por bombeo y la segunda por gravedad. III. ALTERNATIVA DE CONDUCCIÓN 3.1. Red de Conducción En algunos sitios, es necesario buscar fuentes alternas para abastecimiento del agua, resultando que dichas fuentes se encuentran en sitios separados, lo cual recae en la necesidad de interconectar las líneas de conducción de cada fuente, formando de esta manera una red de conducción. Al unificar las líneas en una sola red de conducción, se puede llegar a reducir en cierto modo los costos de dichas líneas, sin embargo, se contará con una operación más compleja y que se deberá revisar de manera detallada en que cuente con un adecuado funcionamiento hidráulico. Tales casos se tienen cuando se incorporan diversas captaciones, como por ejemplo en las interconexiones de pozos, y en sistemas múltiples de abastecimiento a varias localidades. Las derivaciones de una conducción hacia dos o más tanques de regularización forman también redes de distribución 3.2. Líneas Paralelas Las líneas de conducción paralelas se forman cuando es necesario colocar dos o más tuberías sobre un mismo trazo. Esta instalación se recomienda para efectuar la construcción por etapas (según sean las necesidades de la demanda de agua y la disponibilidad de los recursos) y facilitar la operación a diferentes gastos IV. CRITERIOS DE DISEÑO Definido el perfil de la línea de conducción, es necesario considerar criterios de diseño que permitan el planteamiento final en base a las siguientes consideraciones: 4.1. Carga Disponible La carga disponible viene representada por la diferencia de elevación entre la obra de captación y el reservorio. La carga estática máxima será de 50 m y la carga dinámica mínima será de 1 m. 2 Cargas estáticas y dinámicas de la línea de conducción 4.2. Gasto de Diseño El gasto de diseño es el correspondiente al gasto máximo diario (Qmd), el que se estima considerando el caudal medio de la población para el período de diseño seleccionado (Qm) y el factor K1 del día de máximo consumo. 4.3. Clase de Tubería Las clases de tuberia a seleccionarse estaran definidas por las máximas presiones que ocurran en la linea representada por la linea de carga estatica. Para la seleccion se debe considerar una tuberia que resista la presion mas elevada que pueda producirse, ya que la presion máxima no ocurre bajo condiciones de operacion, sino cuando se presenta la presion estatica, al cerrar la valvula de control en la tuberia. En la mayoria de los proyectos de abastecimiento de agua potable para poblaciones rurales se utilizan tuberias de PVC. Este material tiene ventajas comparativas con relacion a otro tipo de tuberias: es economico, flexible, durable, de poco peso y de facil transporte e instalacion; ademas, son las tuberias que incluyen diámetros comerciales menores de 2 pulg y que facilmente se encuentran en el mercado. Presiones de trabajo para diferentes clases de tubería de PVC 3 Se deberá seleccionar el tipo de tubería en base a la agresividad del suelo y al intemperismo. En este último caso, de usarse el fierro galvanizado se le dará una protección especial. Aquella en caso que por la naturaleza del terreno, se tenga que optar por tubería expuesta, se seleccionará por su resistencia a impactos y pueda instalarse sobre soportes debidamente anclados. 4.4. Diámetros Para determinar los diametros se consideran diferentes soluciones y se estudian diversas alternativas desde el punto de vista economico. Considerando el maximo desnivel en toda la longitud del tramo, el diametro seleccionado debera tener la capacidad de conducir el gasto de diseno con velocidades comprendidas entre 0.6 y 3.0 mls; y las pérdidas de carga por tramo calculado deben ser menores o iguales a la carga disponible. El diámetro mínimo de la línea de conducción es de 3/4” para el caso de sistemas rurales. 4.5. Estructuras Complementarias 4.5.1. Cámara de Válvula de Aire El aire acumulado en los puntos altos provoca la reducción del área del flujo del agua, produciendo un aumento de pérdida de carga y una disminución del gasto. Para evitar esta acumulación es necesario instalar válvulas de aire automáticas (ventosas) o manuales. Válvula de aire manual 4 4.5.2. Cámara de Válvula de Purga Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la línea de conducción con topografía accidentada, provocan la reducción del área de flujo del agua, siendo necesario instalar válvulas de purga que permitan periódicamente la limpieza de tramos de tuberías. Válvula de purga 4.5.3. Cámaras Rompe-presión Al existir fuerte desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la línea de conducción, pueden generarse presiones superiores a la máxima que puede soportar la tubería. En este caso se sugiere la instalación de cámaras rompe-presión cada 50 m de desnivel. La tubería de ingreso estará por encima de nivel del agua. Cámara rompe-presión 5 V. DIMENSIONAMIENTO 5.1. La Línea de Gradiente Hidráulica La línea gradiente hidráulica estará siempre por encima del terreno. En los puntos críticos se podrá cambiar el diámetro para mejorar la pendiente. 5.2. Pérdida de Carga La pérdida de carga es el gasto de energía necesario para vencer las resistencias que se oponen al movimiento del fluido de un punto a otro en una sección de la tubería. Las pérdidas de carga pueden ser lineales o de fricción y singulares o locales. Las primeras, son ocasionadas por la fuerza de rozamiento en la superficie de contacto entre el fluido y la tubería; y las segundas son producidas por las deformaciones de flujo, cambio en sus movimientos y velocidad (estrechamientos o ensanchamientos bruscos de la sección, torneo de las válvulas, grifos, compuertas, codos, etc.). Cuando las pérdidas locales son más del 10% de las pérdidas de fricción, la tubería se denomina corta y el cálculo se realiza considerando la influencia de estas pérdidas locales. Debido a que en la línea de conducción las pérdidas locales no superan el 10%, para realizar los cálculos hidráulicos solamente se consideran las pérdidas por fricción. 5.2.1. Pérdida de Carga Unitaria Para el propósito de diseño se consideran: Ecuaciones de Hazen y Williams para diámetros mayores a 2 pulgadas y para diámetros menores a 2 pulgadas, la Ecuación de Fair Whipple. 𝑄 =∝1 . 𝐶. 𝐷 2.63 . ℎ𝑓 0.54 ≫ 𝐻𝑎𝑧𝑒𝑛 𝑦 𝑊𝑖𝑙𝑙𝑖𝑎𝑚𝑠 𝑄 =∝2 . 𝐷2.71 . ℎ𝑓 0.57 ≫ 𝐹𝑎𝑖𝑟 𝑊ℎ𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 5.2.2. Pérdida de Carga por Tramo ℎ𝑓 = 𝐻𝑓 ⁄𝐿 Para determinar la perdida de carga por tramo es necesario conocer los valores de carga disponible, el gasto de diseño y la longitud del tramo de tubería. Con dicha 6 información y con el uso de nomogramas o la aplicación de fórmulas se determina el diámetro de tubería. En caso de que el diámetro calculado se encuentre entre los rangos de dos diámetros comerciales se selecciona el rango superior o se desarrolla la combinación de tuberías. Con el diámetro o los diámetros seleccionados se calculan las pérdidas de carga unitaria para finalmente estimar la perdida de carga por tramo. 5.3. Presión En la línea de conducción, la presión representada la cantidad de energía gravitacional contenida en el agua. Se determina mediante la ecuación de Bernoulli. 𝑍1 + 𝑃1 ⁄𝛾 + 𝑉1 2 ⁄2𝑔 = 𝑍2 + 𝑃2 ⁄𝛾 + 𝑉2 2 ⁄2𝑔 + 𝐻𝑓 𝑍 = 𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑎 𝑢𝑛 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃 ⁄𝛾 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝐻𝑓 = 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒 𝑑𝑒 1 𝑎 2 Si 𝑉1 = 𝑉2 y como el punto 1 está a presión atmosférica, o sea 𝑃1 = 0. Entonces: 𝑃2 ⁄𝛾 = 𝑍1 − 𝑍2 − 𝐻𝑓 Equilibrio de presiones dispersas 5.4. Combinación de tuberías Es posible diseñar la línea de conducción mediante la combinación de tuberías, tiene la ventaja de optimizar las pérdidas de carga, conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto. Se define lo siguiente: 𝐻𝑓 = 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑋 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝐿 − 𝑋 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 ℎ𝑓1 = 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ℎ𝑓2 = 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 7 La pérdida de carga total deseada 𝐻𝑓, es la suma de pérdidas de carga en los dos tramos de tubería. 𝐻𝑓 = ℎ𝑓2 . 𝑋 + ℎ𝑓1 . (𝐿 − 𝑋) Perfil de la combinación de tuberías Perfiles en U 5.5. En zonas donde la topografía obligue un trazo de la línea de conducción, con un perfil longitudinal en forma de U, las clases de tubería a seleccionarse serán definidas de acuerdo a los rangos de servicio que las condiciones de presión hidrostática le impongan. VI. SERIES DE TUBERÍAS Y DIÁMETROS NOMINALES 6.1. Clasificación de Tuberías La Norma Técnica Peruana ISO 1452, clasifica a los tubos en series (S), los cuales están en función a las presiones de trabajo en condiciones normales (temperatura del agua = 20 °C) 𝑆= 𝐹𝑅 − 1 2 𝐹𝑅 = 𝐷𝑒 𝑒 Donde: 𝐹𝑅 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑅𝑖𝑔𝑖𝑑𝑒𝑧 𝐷𝑒 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 (𝑚𝑚) 𝑒 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 (𝑚𝑚) 8 La serie (S) está acorde con el espesor del tubo, mientras la serie (S) es más alta, el tubo disminuye de espesor y viceversa. En la siguiente tabla, se dan series y su equivalencia en las diferentes unidades de presión. 6.2. Diámetros Nominales 9 10 VII. BIBLIOGRAFÍA - - ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD, “Guía de Diseño para Líneas de Conducción e Impulsión de Sistemas de Abastecimiento de Agua Rural” , OMS, Lima – 2004 AGÜERO PITTMAN, Roger. “Agua Potable para Poblaciones Rurales”, SER, Lima – 1997 GARCÍA TRISOLINI, Eduardo. “Manual de Proyectos de Agua Potable en Poblaciones Rurales”, Fondo Perú – Alemania, Lima – 2009 COMISIÓN NACIONAL DEL AGUA, “Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento - Conducciones”, México - 2016 11
