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SIFONES INVERTIDOS (GRUPO 8ª)

SIFONES INVERTIDOS I. INTRODUCCIÓN: CONCEPTO SIFON INVERTIDO Son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal. En los sifones invertidos la presión en todos los puntos en el tubo es superior a la atmosférica

DESVENTAJAS: Tienen altas pérdidas de carga por fricción Tiene riesgo de colmatación cuando el agua arrastra material de sedimentación en cantidades considerables. VENTAJAS: Las ventajas de los sifones invertidos son sus bajos costos de diseño, construcción y mantenimiento. El sifón invertido funciona por diferencia de niveles. Esta diferencia de niveles debe absorber todas las pérdidas de carga del sifón invertido.

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II. OBJETIVOS:  Conocer el funcionamiento y las características que presenta un sifón invertido.  Realizar el diseño de un sifón invertido con los datos obtenidos de la visita.  Con los datos obtenidos en la practica hacer los cálculos correspondientes para comprobar el funcionamiento del sifón invertido.

III. MARCO TEORICO: Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escogerá la solución más conveniente para tener el funcionamiento correcto.

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 Puente canal  Sifón invertido  Alcantarilla  Túnel

TIPOS DE SIFONES Existen dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento:  SIFON NORMAL  SIFON INVERTIDO TIPOS DE SIFONES INVERTIDOS : Los principales son los que se muestran a continuación :  RAMAS OBLICUAS Se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecución

 POZO VERTICAL

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Con una o dos ramas verticales son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo en caso de grandes dificultades constructivas. Debido a sus características de fácil y reducido espacio son muy aconsejables.

 RAMAS VERTICALES Lo mismo que pozos verticales

 CON CAMARAS DE LIMPIEZA Tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas.

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COMPONENTES QUE ILUSTRA LA FIGURA : 1) Vertedero de excedencias 2) Desarenador 3) Rejilla de entrada 4) Transición de entrada 5) Ducto 6) Válvula de purga 7) Transición de salida 8) Rejilla de salida

1. VERTEDERO DE EXCEDENCIAS: Es una estructura que evita que el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no pueda pasar por el sifón invertido. Generalmente consiste en un vertedero lateral construido en una de las paredes del canal. El vertedero sirve también para derivar el agua del canal en caso que el sifón esté tapado o esté cerrada la eventual compuerta de emergencia ante la necesidad de reparaciones o mantenimiento de la tubería. Por tal motivo, el caudal de diseño del vertedero es igual al caudal de diseño del canal. 2. DESARENADOR : Sirve para que el material en suspensión en el agua se deposite antes de la entrada al sifón invertido. Esto es necesario para disminuir los efectos abrasivos sobre el interior del tubo y para minimizar los riesgos de azolvamiento en el ducto, considerando lo dificultoso que puede ser el trabajo de limpieza de grava y arena depositadas en su tramo inferior. 3. REJILLA DE ENTRADA Y COMPUERTA DE EMERGENCIA : El objeto de la rejilla de entrada es el de impedir la entrada al ducto de basura (hojas secas, ramas, bolsas de plástico, etc.) y objetos extraños (como animales muertos), que obstruyan el ducto o perjudiquen su normal funcionamiento. La compuerta de emergencia es una obra optativa, su necesidad depende de la posibilidad de cerrar el canal en un punto superior. La compuerta puede instalarse sobre el marco de la rejilla de entrada para operarla como compuerta deslizante sobre ranuras paralelas a la rejilla de entrada. 4. TRANSICIÓN DE ENTRADA : En general, la sección del canal es más amplia que la adoptada en el ducto, por lo que es necesario construir una transición de entrada convergente para asegurar un cambio OBRAS HIDRAULICAS I

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de flujo gradual entre las distintas secciones. En el diseño de una transición de entrada la abertura de la parte superior del sifón invertido debe estar por debajo de la superficie normal del agua (ahogada), para evitar el ingreso de aire que perjudique el funcionamiento del sifón invertido y disminuya su capacidad de conducción. 5. DUCTO : Es la parte principal de los sifones invertidos. Su disposición geométrica debe en lo posible ajustarse a la topografía de la depresión a salvar para minimizar los trabajos de excavación y de relleno. Es usual construir estructuras de soporte para el ducto, tanto en las laderas como en el fondo de la depresión por sortearse. Es buena práctica enterrar el ducto para protegerlo de cargas directas (pisadas de personas y animales) y cargas de impacto (piedras, granizo). Es imprescindible proteger de los rayos ultravioleta a las tuberías plásticas. Para efectos de operación y mantenimiento, puede ser conveniente construir un ducto doble o triple, porque aumenta la seguridad allí donde existan severos riesgos de taponamiento, dificultades en la limpieza o necesidades en la operación. La desventaja es que encarece la obra 6. REGISTRO PARA LIMPIEZA Y VALVULAS DE PURGA: En la parte más baja del ducto se coloca una bifurcación con una válvula de purga de las dimensiones acordes al caudal que se deberá desalojar. La válvula se usa para vaciar el tubo, evacuar material que azolve la estructura y para poder realizar trabajos de mantenimiento o reparación. En el cruce de ríos o quebradas, la instalación de la válvula de purga requiere disponer una estructura que soporte el ducto por encima del cauce. Conviene proteger la válvula de purga por medio de una cámara, una caja de ladrillo u hormigón con una tapa. La apertura de la válvula de purga debe hacerse gradualmente para evitar velocidades grandes en el ducto. 7. TRANSICION DE SALIDA: Mediante la transición de salida (normalmente divergente) se genera un cambio gradual en el flujo entre la cámara de salida y el canal que continúa. El ahogamiento de la transición de salida debe ser mínimo, tratando de que la descarga sea casi libre y no sumergida. 8. REJILLA DE SALIDA: El objeto de la rejilla de salida es el de evitar el ingreso de elementos extraños al ducto, cuando por cualquier motivo el sentido del flujo se invierta, por ejemplo durante el vaciado del ducto por la válvula de purga. De manera simétrica a la rejilla de entrada, conviene disponerla luego de la transición de salida para dar mayor comodidad a la tarea de limpieza.

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Diseño Hidráulico

Se realiza por tanteos, haciendo variar la sección del ducto, calculando las pérdidas de carga que se presentarían.

OBJETIVO DE CÁLCULO : Salvar el desnivel existente entre los puntos (A – F) Atreves de: ∆E = hT= ∆Z

 Datos de entrada:

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 Tipo de canal  Caudal que conduce Q (m3/s).  Velocidad del canal Vc (m/s).  Cota de solera Cota A (msnm.).  Tirante normal del canal Yp (m).  La topografía de la depresión a salvar  Cota de solera predeterminada salida del ducto, cota F (msnm)

Solución :  Paso 1. Calculo de la diferencia de energía

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 Paso 2. Fijar una velocidad preliminar del flujo en el ducto.

 Paso 3. Calculo de las dimensiones del ducto adoptado.

 Paso 4. Calculo de las dimensiones reales del ducto •

Área

•

Velocidad del ducto

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 Paso 5. Perdidas locales a lo largo del ducto a) Perdidas por rejilla de entrada b) Perdidas por transición de entrada

c ) Perdidas por entrada al ducto.

Ke :coeficiente de perdidas de entrada

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Vd: Velocidad en el ducto m/s. g : Gravedad de 9.81 m/s2.

Forma de entrada

Ke

Compuerta en pared delgada

1.000

Entrada con arista en ángulo recto

0.500

Entrada con arista ligeramente redondeada

0.230

Entrada con arista completamente redondeada

0.100

R/D =015 Entrada abocinada circular

0.004

e) Perdida por fricción

C=Constante de Hazen-Williams R=Radio Hidráulico Ld= Longitud del ducto Merial c

CHW

Tuberías de PVC

130-150

Hierro fundido nuevo

130

Hierro fundido 10 años

110

Concreto, bien acabado

120-130

Acero soldado

120

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Acero con remache

110

Acero Galvanizado

90-100

f) pedida de salida por ampliación

g) Perdida por rejilla de salida.

eb= espesor de la barra en metros Sb= espacio libre entre barras Ø=ángulo que forman las barras con la horizontal F= factor de forma1.79 barras circulares 2.42 para barras rectangulares

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 Paso 6 Calculo de la cota de solera de salida

Si Cota Fc < Cota F 0=>bajar la salida Hasta la cota Fc ó reducir las perdidas aumentando la sección del ducto verificando la condición de velocidad Si Cota Fc > Cota F 0=>subir la salida Hasta la cota Fc ó aumentar las perdidas reduciendo la sección del ducto verificando la condición de velocidad

Diseño de entrada y salida del sifón

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 d) Perdidas menores en la tubería.

Km: coeficiente de perdidas de accesorios Accesorios

Km

Válvula de globo , completamente abierta

10.0

Válvula de retención, completamente abierta

2.50

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Válvula de compuerta, completamente abierta

0.20

Codo de 45°

0.4-0.42

Coco de radio grande r/D=0.15

0.6

Codo de radio corto r/D=1

0.9

Te en sentido recto

0.3

Te a través de la salid a lateral

1.8

Unión

0.3

Ye de 45°, en sentido recto

0.3

Ye de 45°, en sentido lateral

0.8

CONCLUCIONES:  El diseño del sifón invertido funciona debido a que la sumatoria de perdidas es menor que la diferencia de cargas.

RECOMENDACIONES:  Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajo de limpieza del canal a fin de evitar el acumulamiento de sedimentos rocosos y malezas de arbustos que podrían afectar el funcionamiento del sifón.  Realizar trabajos de mantenimiento de las tuberías de acero por ejemplo con pintura anticorrosiva expósita con el fin de evitar la corrosión.

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INDICE I.

INTRODUCCION

-

CONCEPTO DE SIFON INVERTIDO - DESVENTAJAS - VENTAJAS

II.

OBJETIVOS

III.

MARCO TEORICO

- TIPOS DE SIFONES - TIPOS DE SIFONES INVERTIDOS - COMPONENTES:  VERTEDERO DE EXCEDENCIA  DESARENADOR  REJILLA DE ENTRADA Y COMPUERTA DE EMERGENCIA  TRANSICION DE ENTRADA  DUCTO  REGISTRO PARA LIPIEZA Y VALVULA DE PURGA  TRANSICION DE SALIDA  REJILLA DE SALIDA

IV.

OBJETIVO DEL CALCULO Y RESOLUCION DEL PROBLEMA

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