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• Luz Maria Andrade Tobay

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TALLER: CÁLCULO DE FLUJO EN TUBERÍAS A PRESIÓN CON EPANET 1

INTRODUCCIÓN

EPANET es un software que realiza simulaciones en periodo extendido del comportamiento hidráulico y de la calidad de agua en redes de distribución a presión (Rossman, 1998). El motor de análisis hidráulico incluye las siguientes características: 2

no existe límite en el tamaño de la red que se desea analizar calcula las pérdidas por fricción en las conducciones mediante las expresiones de Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, o ChezyManning incluye pérdidas menores en elementos tales como codos, acoplamientos, etc. modelación de sistemas de bombeo (energía consumida y costo) modela diferentes tipos de válvulas, incluyendo válvulas de regulación, válvulas de retención, válvulas de aislamiento, válvulas reductoras de presión, válvulas de control de caudal, etc. considera la posibilidad de establecer diferentes categorías de consumo en los nudos modeliza consumos dependientes de la presión que salen al exterior del sistema a través de emisores (rociadores, aspersores)

INSTALACIÓN 1. Seleccione Ejecutar (Run) desde el menú Inicio de Windows. 2. Introduzca el “path” completo y el nombre del fichero en2setup.exe o clic el botón de Búsqueda (Browse) para localizarlo en su ordenador. 3. Clic Aceptar (OK button) para que comience la instalación.

El programa de instalación le preguntará en que carpeta o directorio desea instalar el programa. El destino predeterminado es c:\Archivos de Programa\EPANET2. Después de instalarse los ficheros tendrá un nuevo icono, en el menú de Inicio, llamado EPANET 2.0. Para arrancar el programa sólo tiene que seleccionar éste icono en el menú de inicio, después seleccione EPANET 2.0 en el submenú que aparecerá. (El nombre del ejecutable que arranca EPANET bajo Windows es epanet2w.exe.). 3

UTILIZAR EPANET

A continuación, se enumeran los pasos básicos a seguir en la utilización de EPANET para modelar un sistema de distribución de aguas: 1. Dibuja una representación de la red del sistema de distribución o importa una red desde CAD. 2. Edita las propiedades de los objetos que conforman el sistema 3. Describe como trabaja el sistema 4. Determina las opciones de análisis 5. Inicia un análisis hidráulico o de calidad del agua 6. Obtener los resultados del análisis

Ing. César Montalvo Cedillo MSc. [email protected] Técnico docente de laboratorio de ingeniería civil

4 CONSTRUCCIÓN DE UNA RED DE RIEGO A continuación, analizaremos una red de tipo ramificada para abastecimiento de un sistema de riego. La red consta de un reservorio desde donde se bombea el agua hacia los hidrantes de cada módulo de riego. En este caso el problema plantea la distribución de un caudal constante en cada uno de las parcelas del proyecto. Las características del proyecto a diseñar son las siguientes: - Red de tipo ramificada, es decir se conoce el caudal en cada uno de los tramos a priori - El sistema se abastece de un embalse - El agua se impulsa a través de un sistema de bombeo - La red abastece 13 módulos de riego con caudales definidos - La presión mínima en cada punto de descarga es de 30 m.c.a. - El material de las tuberías es PRFV de rugosidad absoluta 0.06mm La red a diseñar comprende la conducción que abastece los módulos de riego de la parte derecha del embalse según la figura siguiente: Figura 1 Red principal de riego

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4.1

Datos para la modelación

Datos en los nudos: los datos relativos a los puntos de descarga son los siguientes: Tabla 1 Datos de los nodos de la red – margen derecha N

Cota (m.s.n.m)

Caudal (l/s)

N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12 N13 14 15 16 17 18

27,7 24,3 26,7 32,9 38,2 32,2 38,8 38,1 41,9 33,5 39,2 44,0 44,6 15.2 15.2 24.1 29.3 42.4

48,5 41,3 48,7 52,5 51,6 49,4 46,4 46,3 52,0 47,8 50,9 41,4 42,0

Figura 2 Nudos de la red-margen derecha

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Datos en tuberías: los datos son los siguientes: Tabla 2 Datos de los tramos de tubería de la red – margen derecha Tramo

Longitud (m)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

20 5 584 420 112 246 225 598 432 518 360 569 89 538 440 386 705

Figura 3 Tramos de la red-margen derecha

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4.2

Creación del proyecto -

Primero debemos crear un proyecto nuevo en EPANET. Se arranca el programa si ya lo has hecho selecciona Fichero >>Nuevo (File >> New) de la barra de comandos para crear un nuevo proyecto. Después selecciona Proyecto >> Valores por defecto (Project >> Defaults) para abrir el cuadro de diálogo de la Figura 4. Figura 4 Cuadro de dialogo – valores por defecto

Utilizaremos éste cuadro de diálogo para hacer que EPANET asigne automáticamente las etiquetas de identificación. -

A continuación, abre la página Opciones hidráulicas y selecciona LPS (litros por segundo) como las unidades de caudal. Esto implica que todas las demás variables que aparezcan vendrán expresadas en unidades del sistema internacional (longitud en metros, diámetros en mm, presión en mca, etc.). Selecciona también Darcy- Weisbach (D-W) cómo fórmula de pérdidas.

-

A continuación, determinaremos las opciones de visualización del plano así como la adición de objetos al mismo, también veremos las etiquetas de ID y la simbología que aparece. Selecciona Ver >> Opciones (View >> Options) para abrir el cuadro de Opciones de Plano, Figura 5. En esta ventana se pueden editar todos los aspectos relacionados al formato de visualización de la red y de los resultados de la modelación como: mostrar el ID de los nudos y tramos, tamaño de fuente, color del fondo.

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Figura 5 Cuadro de dialogo – opciones de plano

4.3

Trazado de la red -

Para dibujar la red se emplea l ratón y los botones que aparecen en la barra de herramientas del plano, mostrados en la figura. (Si no ve en pantalla ésta barra seleccione Ver >> Herramientas >> Plano (View >> Toolbars >> Map).

-

Para facilitar el trazado de la red existe la opción de importar el dibujo de la red en formato bmp. Para esto vamos a Ver >> Fondo de pantalla >> Cargar y subimos la imagen de la red.

-

Primero dibujaremos el depósito (embalse). Haz clic sobre el botón . A continuación, no tienes más que hacer clic con el ratón sobre la posición en el plano donde quieras situarlo.

-

Lo siguiente, los nudos de conexión. Haz clic en el botón y después selecciona en el plano las posiciones de todos los nudos (colócalos como en la Figura 6). Se debe crear un nudo, en los puntos donde exista derivaciones de la red, nodos de descarga o simplemente nodos donde sea necesario evaluar las propiedades de presión de la red. Por último, sólo nos queda añadir la bomba, la cual debe ir situada entre dos nodos. En este caso se ubica entre el nodo 15 y 14 Figura 6.

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Figura 6 Trazado de los nodos

-

Lo próximo será añadir las conducciones. Empezaremos con la conducción que conecta el embalse al nodo inicial de la bomba (nodo 15). Haz clic sobre el botón. A continuación, con el ratón haz clic sobre el embalse y después el nudo 15. Aparecerá una línea que unirá ambos nudos. Repita ésta operación para las demás conducciones. Si la conducción no es recta se puede ir trazando la tubería con la forma correspondiente hasta llegar al nodo requerido.

-

Para añadir la bomba, haga clic sobre el botón el nudo 15 y después el nudo 16.

-

Ya tenemos representada gráficamente la red del ejemplo y será similar a la mostrada en la Figura 3. Si algún nudo ésta fuera de su posición puede moverlo seleccionándolo con el botón izquierdo del ratón y manteniéndolo apretado arrastrarlo hasta su nueva posición. Observe que las conducciones, conectadas a éste nudo, se adaptan a la nueva posición. Las etiquetas pueden moverse de la misma forma. El trazado de las conducciones también puede moverse en sus

, a continuación haz clic sobre

vértices, a través del botón . También haciendo click derecho en la conducción y seleccionando “vértices” se puede añadir o quitar vértices en el tramo.

4.4

Propiedades de los objetos

A medida que se añaden objetos al Proyecto se les asignan unas propiedades predeterminadas (según se configuró inicialmente). Para cambiar éstas propiedades en un objeto debe seleccionarlo en el Editor de Propiedades (Property Editor), o dar doble click sobre este (Nodos). Ing. César Montalvo Cedillo MSc. [email protected] Técnico docente de laboratorio de ingeniería civil

4.4.1

Nodos

Para editar los nodos, abrimos el cuadro de propiedades (doble click en el objeto) y editamos los valores de demanda (caudal) acorde con las unidades seleccionadas al inicio. Por ejemplo, para el nodo 5 se ha establecido una cota de 38.2 y un caudal de 51.6 l/s (Tabla 1 y Nodos). Figura 7 Cuadro de edición de los nodos

4.4.2

Tuberías

De igual manera se editan los tramos de la red conforme los datos establecidos para la misma (Figura 8). Por ejemplo, para el tramo 9 se ha establecido una longitud de 432m y un coeficiente de rugosidad absoluta de 0.06mm conforme a la ecuación de perdida de carga en tuberías de Darcy Weisbach (breve explicación abajo). Para las perdidas por accesorios se emplea el criterio de proporcionalidad con el cuadrado de la velocidad que utiliza coeficientes de pérdidas (breve explicación abajo). Para el tramo 9 el coeficiente de pérdidas resulta en 0.6 obtenido de la Tabla 4. Este coeficiente debe considerar el trazado en planta y trazado vertical de la red.

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Figura 8 Cuadro de edición de los tuberías

Coeficiente de rugosidad: depende del fabricante de las tuberías, como valores orientativos se pueden emplear los de la tabla siguiente: Tabla 3 Coeficientes de rugosidad

Fuente: (Canal de Isabel II, 2012)

Pérdida de carga en tuberías: en el presente ejemplo las pérdidas en tuberías se evaluarán mediante la ecuación de Darcy Weisbach (Juan Saldarriaga V., 1998): f∗L∗V 2 hf = D∗2∗g Donde: hf es la pérdida de carga en la tubería V es la velocidad en m/s f es el coeficiente de pérdidas por fricción L es la longitud de la tubería (m) D es el diámetro interior de la conducción g es la aceleración de la gravedad El factor de fricción está en función del número de Reynolds (Re) que indica la transición entre el régimen laminar y el turbulento y la rugosidad relativa (ԑ/D) la cual traduce las imperfecciones en la tubería. Para el cálculo de este parámetro se utiliza la fórmula de Colebrook – White, mediante la fórmula siguiente: 1 ε 2.51 =−2 log + 3.7 D ℜ √ f √f

(

)

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Pérdidas locales: las pérdidas locales para accesorios y zonas de interés se evalúan con el criterio de proporcionalidad directa con la cabeza de velocidad y coeficientes de pérdida convencional a partir de la fórmula (Canal de Isabel II, 2012): h L =K

V2 2g

Donde: hL es la perdida por accesorios (m) K es el coeficiente de pérdidas locales (ver) Tabla 4 Coeficientes de pérdida por accesorios

Fuente: (Canal de Isabel II, 2012)

4.4.3

Bomba

A la bomba necesitaremos asignarle una curva característica (altura vs. caudal). Marque un código en este caso pondremos “CPH” en el campo de Curva Característica (Pump Curve) en las propiedades de la bomba (hacer doble click en la bomba). A continuación, crearemos la Curva Característica CPH. Desde la página de Datos del Buscador, seleccione Curvas del listado y haga clic sobre el botón . Una nueva Curva 1 se añadirá a la base de datos y aparecerá el cuadro de diálogo del Editor de Curvas (ver Figura 9). Introduzca los valores de caudal (flow) y altura (head) en la hoja de datos, para cada uno de los puntos. Estos valores se obtendrán de la curva del fabricante de la Ing. César Montalvo Cedillo MSc. [email protected] Técnico docente de laboratorio de ingeniería civil

bomba Figura 10. EPANET creará automáticamente una curva a partir de estos puntos. La ecuación de la curva aparecerá junto con la figura. Haga clic en Aceptar (OK) para cerrar el Editor. Figura 9 Ingreso de datos de curva de la bomba

Figura 10 Curva de la bomba dada por el fabricante

Fuente: (IDEAL, 2021)

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Una vez ingresado el modelo preliminar de la red, es conveniente guardar el archivo. Desde el menú Archivo (File) selecciona la opción Guardar como (Save as). Ahora tenemos suficiente información para realizar un análisis Hidráulico en Régimen Permanente de nuestro ejemplo. Para ello, selecciona Proyecto >> Iniciar Análisis (Project >> Run Analysis) o haz clic en el botón de arrancar en la barra de herramientas. (Si la barra de herramientas no aparece en pantalla selecciona Ver >> Barras de Herramientas >> Estándar (View >> Toolbars >> Standard) de la barra de menú). 5

VISUALIZACIÓN DE RESULTADOS

Una vez realizado el cálculo hidráulico, los resultados se pueden visualizar de diferentes maneras: - Seleccione Presión de Nudo (Node Pressure) desde la página Plano del Buscador (Browser’s Map page) y observe como los valores de presión en los nudos se colorean. Para ver la leyenda de colores, seleccione Ver >> Leyenda >> Nudo (View >> Legends >> Node) o presione el botón derecho del ratón y seleccione Leyenda de Nudo (Node Legend) en el menú que aparece. Para cambiar los sectores y colores de la leyenda, apriete el botón derecho sobre la leyenda para que aparezca el Editor de Leyenda Figura 11. - Active el Editor de Propiedades (doble clic sobre cualquier nudo o línea) y fíjese como los resultados del análisis se encuentran al final de la lista de propiedades. Figura 11 Resultados en entorno gráfico

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Cree una tabla de resultados seleccionando Informe >> Tabla (Report >> Table) o haciendo clic sobre el botón en la barra de menú. La Figura 12 muestra la tabla de resultados para los nodos. Si aparece un caudal con signo negativo significa que el caudal circula en sentido contrario en el que ha sido dibujada la conducción Figura 12 Tabla de resultados

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BIBLIOGRAFÍA

Canal de Isabel II. (2012). Normas para Redes de Abastecimiento. IDEAL. (2021). Bombas Ideal. Retrieved from https://www.bombasideal.com/ Juan Saldarriaga V. (1998). Hidráulica de Tuberías. Emma Ariza H. Colombia: {McGraw}-Hill. Rossman, L. A. (1998). Manual de Usuario EPANET 2.

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