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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA DE FLUIDOS PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: REDES ABIERTAS Y REDES CERRADAS AUTORES: AGUADO MÉNDEZ, FRANK CARRILLO GONZALES, NATHALY GAMBOA CAMACHO, ADRYAN MELO SÁNCHEZ, LUIGI PERALTA CHUCHÓN, MAX TITO APAZA, JUAN CARLOS ASESOR: WILSON VÁSQUEZ CERDÁN LIMA- PERÚ

2016

A mi padre por su apoyo, que me fortalece y me inspira a guiarme por el buen camino y las ganas de seguir estudiando.

INTRODUCCIÓN

Este trabajo de investigación se ha elaborado con la finalidad de poner en práctica los temas que se ha ido desarrollando en clases de acuerdo al sílabus presentado por la escuela de ingeniería civil, el trabajo presenta temas sobre un sistema de distribución de agua potable, en esta oportunidad tomaremos en cuenta el problema que tiene la provincia de Jicamarca, ya que en el mencionado distrito la gran mayoría de ciudadanos no tiene agua potable proveniente de SEDAPAL por sistemas de distribución, para esto crearemos un sistema de distribución de agua potable que a partir de un tanque o reservorio se podrá conducir a las viviendas . Para elaborar este proyecto tome en consideración una serie de elementos, que mediante estudios y trabajos especializados permitan satisfacer de manera efectiva y sustentable la necesidad que se tiene del servicio de agua, proporcionándolo en forma ininterrumpida en cantidad y con calidad apropiada, este es un punto importante a considerar ya que el agua es fundamental en cada vivienda, su buen estado y adecuado almacenamiento serán necesarios para evitar enfermedades de tipo hídrico en la población.

OBJETIVOS PRINCIPAL:



Realizar un proyecto que se pueda poner en marcha para el lugar donde se menciona.

OBJETICOS  

Diseñar un sistema de distribución de agua potable. Poner en práctica los conocimientos desarrollados en clases para



el diseño y cálculo de problemas. Fomentar la investigación en cuanto a la hidráulica.

ÍNDICE

MARCO TEÓRICO Redes cerradas

Las redes cerradas son conductos ramificados que forman anillos o circuitos, se alimentan desde uno o varios suministros y conducen el agua entre ellos o desde ellos, y los nudos y extremos finales por más de un recorrido posible. En puntos determinados de la red pueden ocurrir descargas o salidas de agua, además de las posibles ramificaciones. Esos puntos se denominan nudos de consumo. Pero también es un nudo el punto donde cambian las características del conducto, como su diámetro o su rugosidad, así no haya consumo o ramificación

Tra mo 10

Tramo 10

Circuito II

HIDRÁULICA DE LA CONDUCCIÓN CONTINUIDAD En cada nudo se planteara una ecuación de continuidad. Al nudo llegara agua por al menos un tubo y desde allí pueden salir caudal como consumo o por uno o mas tubos. Sea Qi el caudal que circula por el tramo i , que termina en el nudo j , y sea qi , el caudal que se descarga en el nudo j : Qi= Q(i+1)1+Q(i+2)2+qi ENERGÍA Entre el extremo de suministro, con frecuencia un tanque, y cada extremo, que puede ser un nudo de consumo, una descarga sumergida en un tanque, una descarga libre a la atmósfera o el inicio de otro conducto, se escribe la ecuación de la energía: Htanque de suministro = Hextremo final + hf + hL Se deben escribir tantas ecuaciones como sean necesarias para que todos los tubos del sistema queden incorporados en al menos una ecuación de energía. La solución simultánea de las ecuaciones de continuidad y de energía resuelve cualquier tipo de problema en redes abiertas. LOS PROBLEMAS QUE DEBEN RESOLVERSE EN REDES CERRADAS CÁLCULO DE LA POTENCIA. En este caso se conocen las características de todos los tramos (L, D, e) y los caudales descargados en cada nudo (q). Se requiere conocer el

desnivel entre el tanque superior y la cota de energía en cada extremo de la red (Hi). Se deben plantear las ecuaciones de continuidad, una para cada nudo, y la ecuación de la energía entre el tanque más alto y cada uno de los extremos de la red. REVISIÓN DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA. En este caso se conocen las características de todos los tramos (L, D, e) y la topografía de la red (H Ti). Se requiere conocer el caudal que se descarga en cada nudo y el caudal en cada tramo. Se deben plantear las ecuaciones de continuidad, una para cada nudo, y la ecuación de la energía entre el tanque más alto y cada uno de los extremos de la red. DISEÑO DE LA RED. En este caso se conocen algunas características de todos los tramos (L, e), la topografía de la red (HTi), la presión de servicio y el consumo en cada nudo (qj). Se requiere conocer el diámetro de cada tramo (D). Se deben plantear las ecuaciones de continuidad, una para cada nudo, y la ecuación de la energía entre el tanque más alto y cada uno de los extremos de la red. Este problema tiene múltiples soluciones. Se preferirá aquella de mínimo costo. CARACTERÍSTICAS ADICIONALES DE LAS REDES CERRADAS DISEÑO DE LA RED: ESTUDIO DE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA. Entre el extremo de suministro, con frecuencia un tanque, y cada extremo final, que puede ser un nudo de consumo, una descarga sumergida en un tanque o una descarga libre a la atmósfera, se escribe la ecuación de la energía: Htanque de suministro = Hextremo final + hf + hL La ecuación de energía entre el tanque y el nudo 5 puede escribirse para el flujo que se establece por varias rutas, por ejemplo:

Por la ruta de los tubos 1-5-6:

Htanque de suministro = H5 + h1 + h5 + h6

Por la ruta de los tubos 1-5-10-8:Htanque de suministro = H5 + h1 + h5 + h10 + h8 Y desde estas dos ecuaciones se concluye, para la ruta cerrada, o circuito II, por los tubos 6-8-10 Que se puede escribir así

h6 = h10 + h8 h6 - h8 - h10 = 0

Y en forma más general

hi = 0

Esta ecuación se conoce como ecuación de energía o de circuito en redes cerradas y dice que: LA SUMA DE PÉRDIDAS EN UN RECORRIDO CERRADO ES NULA Esta expresión exige adoptar una convención para el signo de las pérdidas totales en cada tubo: positivas si ocurren en la dirección del recorrido que se haga y negativas en caso contrario.

En todos los

circuitos se debe hacer en la misma dirección. Se recomienda como dirección positiva la del sentido horario y que los circuitos sean elementales, esto es, que en su interior no existan otros tubos. En una red cerrada se pueden escribir tantas ecuaciones de circuito como circuitos elementales se tengan. Para el caso de un nudo la ecuación de continuidad se escribe asíQj = 0 Esta ecuación se conoce como ecuación de continuidad o de nudo en redes cerradas y dice que: LA SUMA DE CAUDALES EN UN NUDO ES NULA Esta expresión exige adoptar una convención para el signo del caudal: positivo si es de llegada (entrada) al nudo y negativo si es de salida,

como es el caso del consumo en el nudo o el flujo hacia otros nudos desde el que se estudia. En una red cerrada se pueden escribir tantas ecuaciones de continuidad como nudos se tengan ASPECTOS PRÁCTICOS DEL DISEÑO Para el desarrollo que sigue se supone flujo permanente e incompresible, escala de presiones manométrica y que se conocen: o cotas de la superficie libre del tanque o de los tanques o cotas de los nudos o presión en la superficie de los tanques o presión de servicio para cada usuario o consumo constante y conocido en los nudos de consumo o longitudes, rugosidades y coeficientes de pérdida local en todos los tubos

Debe determinarse el diámetro en cada tramo. PROCEDIMIENTO SUGERIDO: 1. Dibujar un esquema en planta de la red. 2. Estimar las direcciones de flujo en los tubos según la topografía local. 3. Verificar que a cada nudo se lleve agua por tubo según las direcciones adoptadas. 4. Aplicar a cada nudo la ecuación de continuidad, hasta determinar el caudal por todos los tubos.

Es necesario suponer algunos

valores de caudal, siempre y cuando se respete la ecuación de continuidad. 5. Adoptar una velocidad recomendada.

6. Con el caudal y la velocidad recomendada determinar el diámetro recomendado y asignar a cada tubo el diámetro comercial más próximo al recomendado. 7. Si se expresa la pérdida de energía como h~Q n, se corrigen los caudales de todos los tubos i de un circuito j con la expresión:

Q j  

h  h n   Q i

i





i

y se repite la corrección en todos los circuitos

reiteradamente hasta que la corrección sea despreciable. Se respetará y tendrá en cuenta el signo del caudal que se corrige y el de la corrección misma. 8. Calcular las presiones de servicio en todos los nudos. Si no se satisface alguna presión, por ser inferior a la presión de servicio requerida o por ser superior a la presión de servicio máxima permitida, es necesario modificar al menos un diámetro. 9. Se revisará la velocidad mínima en cada tubo para que al menos durante breves períodos de tiempo se supere ese valor mínimo de 0,45 m/s. Para este efecto se acostumbra instalar válvulas de purga o hidrantes en los extremos más distantes de la red. DISEÑO Consideraciones generales para el diseño de redes de distribución se deben considerar los siguientes criterios: -

La red de distribución se deberá diseñar para el caudal

-

máximo horario. Identificar las zonas a servir y de expansión de la población. Realizar el levantamiento topográfico incluyendo detalles sobre la ubicación de

construcciones domiciliarias,

públicas, comerciales e industriales; así también anchos de

vías, áreas de equipamiento y áreas de inestabilidad -

geológica y otros peligros potenciales. Considerar el tipo de terreno y las características de la capa

-

de rodadura en calles y en vías de acceso. Para el análisis hidráulico del sistema de distribución se podrá utilizar el método de hardy cross, seccionamiento o

-

cualquier otro método racional. Para el cálculo hidráulico de las tuberías se utilizará fórmulas racionales. en el caso de aplicarse la fórmula de hazen william se utilizaran los coeficientes de fricción establecidos a continuación:



fierro galvanizado 100 pvc 140 - El diámetro a utilizarse será aquel que asegure el caudal y presión adecuada en cualquier punto de la red. los diámetros nominales mínimos serán: 25mm en redes principales, -

20mm en ramales y 15mm en conexiones domiciliarias. En todos los casos las tuberías de agua potable deben ir por encima del alcantarillado de aguas negras a una distancia de 1,00 m horizontalmente y 0,30 m verticalmente. no se permite por ningún motivo el contacto de las tuberías de agua potable con líneas de gas, poliductos, teléfonos, cables u otras.

-

En cuanto a la presión del agua, debe ser suficiente para que el agua pueda llegar a todas las instalaciones de las viviendas más alejadas del sistema. la presión máxima será aquella que no origine consumos excesivos por parte de los usuarios y no produzca daños a los componentes del sistema, por lo que la presión dinámica en cualquier punto de la red no será menor de 5m y la presión estática no será

mayor de 50m. - la velocidad mínima en ningún caso será menor de 0,3 m/s y deberá garantizar la auto limpieza del sistema. en general se recomienda un rango de velocidad de 0,5 – 1,00 m/s. por otro lado, la velocidad máxima en la red -

de distribución no excederá los 2 m/s. A fin de que no se produzcan pérdidas de carga excesivas, puede

aplicarse

determinación

la

de

las

fórmula

de

velocidades

mougnie ideales

para para

la

cada

diámetro. dicha fórmula aplicable a presiones a la red de distribución de 20 a 50mca está dada por:

v = 1.5 *

(d+0.05)0.5 donde: 

v = velocidad (m/s) d = diámetro de la tubería (m) - El número de válvulas será el mínimo que permita una adecuada sectorización y garantice el buen funcionamiento de la red. las válvulas permitirán realizar las maniobras de reparación del sistema de distribución de agua sin perjudicar el normal funcionamiento de otros sectores.



materiales tuberías

para la selección de los materiales de las

se

deberá

tomar

en

cuenta

los

siguientes

factores: - Resistencia a la corrosión y agresividad del suelo. resistencia a los esfuerzos mecánicos producidos por las cargas, tanto externas como internas. - características de comportamiento

hidráulico

del

proyecto

(presiones

de

trabajo, golpe de ariete). - condiciones de instalación adecuadas al terreno. - resistencia contra la tuberculización e incrustación.

- vida útil de acuerdo a la previsión del

proyecto. 

Los materiales más comunes son: - Policloruro de vinilo (pcv) - polietileno - fierro galvanizado fierro fundido - fierro dúctil - acero por otro lado, se pueden

distinguir dos tipos de tuberías: las tuberías de unión flexible y las de unión rígida. 

Tuberías de unión rígida - A simple presión, con espiga y campana; las uniones son ensambladas con pegamento. - roscadas, las uniones requieren de uniones simples para el empalme entre tuberías.



Tuberías de unión flexible -A causa de las características especiales del anillo y campana de la unión flexible, se minimiza las operaciones de ensamble, esto facilita el centrado y conexión de los tubos, sin recurrir a mucha fuerza.

ESTUDIOS BÁSICOS PARA EL PROYECTO GENERALIDADES. Se Toma en cuenta que el almacenamiento de agua no es la adecuada y económica es un gasto de todos los días y perjudicados ya que algunas veces una cisterna no llega abastecer a toda la población que necesita este elemento importante. El paso inicial para efectuar un proyecto, es la realización de un estudio de factibilidad técnico, económico y financiero, cuyo objetivo primordial

es justificar la elaboración del proyecto, garantizando que su ejecución se efectúe mediante un análisis de todos los factores técnicos, sociales, económicos, CAUSAS QUE

ORIGINARON

LA NECESIDAD DE REALIZAR ESTE

PROYECTO Se observó la falta agua en su gran mayoría de la población de Jicamarca, su pésima condición de almacenamiento ya que se observó que se almacenaba agua en: baldes, ollas bidones, tachos, etc. Así como también no existían sistemas o redes de distribución, económicamente el afecto al bolsillo de los pobladores. ANTECEDENTES GENERALES. Mediante investigaciones, recopilaciones y análisis de informaciones SEDAPAL no llega al distrito de Jicamarca en gran parte del distrito de San Antonio SEDAPAL no brinda el servicio de agua potable y saneamiento (desagüe), tomando en cuenta esto se decide ver la forma adecuada de la conducción, almacenamiento y distribución del agua potable como factor importante en una parte del mencionado distrito. ESTUDIO SOCIO-ECONÓMICO. Tomamos en cuenta los aspectos generales de la ubicación donde se pretende ubicar y poner en marcha el proyecto, así como también las vías de comunicación, la parte de económica de las familias que serán beneficiadas y otras que se consideren necesarias.

INFORMACIÓN ESTADÍSTICA Para tener una idea más precisa de los datos que se van a necesitar tanto para el diseño y desarrollo del proyecto consideraremos el consumo de agua potable en cada vivienda, para esto nuestro proyecto

se concentrara en tres viviendas de familias diferentes. A continuación mostramos un cuadro estadístico que nos va a ayudar en el diseño del tanque o reservorio donde posteriormente se van a almacenar el agua que será llenado por una cisterna. DATOS IMPORTANTES PARA EL DISEÑO DE PROYECTO Para obtener el consumo de agua de cada familia se fue a realizar una consulta previa en el lugar donde se pretende realizar y poner en marcha el trabajo de investigación. El cuadro que se presenta a continuación son los resultados obtenidos en base a las respuestas de cada familia, si bien los datos son importantes para el diseño del tanque donde se va a almacenar el agua así como también para el diseño de su sistema de distribución respectiva para hogar. Familia

Número

de Consumo de agua Número

personas Laurente Pérez González

12 6 5

en ( 4 2 2

m

3

)

de

días 15 15 15

De acuerdo a estos resultados el diseño de nuestro tanque nos permitirá almacenar

8

m3

de agua potable, la cual será abastecida por una

cisterna de agua cada 15 días. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE AGUA POTABLE Las partes que integran los sistemas de distribución de este proyecto serán: sistema de agua potable, línea de conducción, almacenamiento, red de distribución, estos conformaran parte de nuestro diseño del sistema.

Tomamos en cuenta que el agua para su consumo ya será trata antes de llenar el reservorio y la limpieza del reservorio y el sistema será cada mensualmente. La parte del suministro de agua potable que se utiliza sin considerar las pérdidas, se conoce como consumo y se expresa en m3/día o l/h/día. El consumo se valora de acuerdo al tipo de usuario, en este caso su uso será doméstico. SISTEMAS DE AGUA POTABLE. El objetivo del sistema de agua potable es proporcionar un servicio eficiente,

considerando

que

el

agua

tenga

calidad,

cantidad

y

continuidad. Para elaborar un proyecto de este tipo, es necesario forjar varias alternativas, definiendo, realizando un análisis, con el fin de seleccionar la

más

conveniente,

considerando

sus

aspectos

de

eficiencia,

constructivos, operativos, sociales y económicos. El diseño hidráulico del sistema, se ejecutará tomando en cuenta los datos básicos de proyecto y su dimensionamiento se debe estudiar para poder programar su construcción por etapas. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE REDES DE CIRCUITO 1. Se trazan todos los ejes de las calles que se tengan 2. Se obtiene el coeficiente de gasto por metro de tubería o gasto específico 3. Se localizan las tuberías principales de distribución 4. Se numeran los cruceros de la línea de alimentación, a partir del tanque, tuberías principales de los circuitos y los ramales 5. Se calculan los gastos parciales

6. Se localizan o establecen los puntos de alimentación y de equilibrio para cada circuito 7. Se obtienen los gastos que se derivan de los cruceros de los circuitos hacia la red secundaria o de relleno 8. Se calculan los gastos acumulados para cada tramo de los circuitos que se tengan, partiendo desde el punto de equilibrio hasta el de alimentación 9. Se tabulan los datos que ya se tienen a partir del tanque 10. Se estiman los diámetros de las tuberías principales 11. Se determinan las pérdidas de carga por fricción, para cada tramo de los ramales de los circuitos. Después se obtiene la suma de las pérdidas de carga para las dos ramas de cada circuito. Si su diferencia es menor a 1m, se puede considerar satisfactoria 12. Se obtienen las elevaciones piezométricas y las cargas de presión disponibles en cada crucero, considerando el tanque vacío. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE REDES ABIERTAS 1. Se hace el trazo de la red a partir del tanque 2. Se obtiene el coeficiente de gasto por metro de tubería o gasto específico 3. Se marca en un plano topográfico la que será la línea principal de distribución a partir del tanque 4. Se calculan los gastos principales y secundarios 5. Se calculan para la línea principal los gastos acumulados del final de la red, hasta el inicio de ella 6. Se estiman los diámetros o diámetro de la línea

7. Se determinan las pérdidas de carga por fricción a partir del tanque para cada tramo de la línea principal 8. Se determinan las elevaciones piezométricas y las cargas de presión en cada crucero 9. Se determina el diámetro de las tuberías secundarias 10. Se termina la numeración de los cruceros faltantes y se efectúa su diseño, colocando las válvulas de seccionamiento en forma adecuada

Las redes primarias o el circuito se dividen en dos ramales y el diámetro mínimo a utilizar es de 100 mm (4 pulg.) Aunque en zonas rurales se acepta hasta 50 mm (2 pulg.). Para las redes secundarias su diámetro estará comprendido entre 50 y 60 mm y no se calculan hidráulicamente, su trazo puede ser biplanar o monoplanar.

DISEÑO:

CÁLCULOS QUE DISTRIBUCIÓN

DEMUESTRAN

EL

FUNCIONAMIENTO

SISTEMA

DE

CONCLUSIONES:

ANEXOS

BIBLIOGRAFÍA

 

Haestad, numeral 2.8 Network hydraulics. https://www.google.com/search?

 

q=proyecto+para+el+curso+de+hidraulica&client=firefox Sotelo, numeral 9.6 Redes cerradas. Saldarriaga, capítulo 7: Análisis de redes de tuberías. Redes



cerradas. Potter, numeral 11.4 Análisis de redes de tuberías.