Ingeniería hidráulica apuntes

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Ingeniería hidráulica apuntes

  1. 1. IngenieríaHidráulica
  2. 2. Ingeniería HidráulicaAnálisis y diseño de tuberíasPérdidasTipos de pérdidas  Cortas < 2% del total de las pérdidas Largas > 2% del total de las pérdidasFuncionamiento Hidráulico  Sistemas Simples [Serie y paralelo]  Sistemas complejos [Abierto – cerrado – Mixto] SISTEMAS SIMPLESEn serie – PérdidasEl caudal en cada tubería es el mismo y las pérdidas de energía por fricción y poraccesorios se suman a lo largo de la serie. Módulo de Caudal Darcy Hazen-WilliamsPor tanto: Criterio de Diseño: La serie de menor costo corresponde aquella que genere unalínea piezométrica cercana a la línea recta que una las alturas de energía totaldel inicio y el final de la serie.En paralelo – PérdidasEl caudal total es igual a la suma de los caudales individuales y las pérdidas deenergía en cada rama son igualesPor tanto:Criterio de diseño: Ineficiente desde el punto de vista hidráulico ya que aumentael perímetro mojado aumentando así las pérdidas por fricción. Usado paraaumentar la confiabilidad del sistema de tuberías.2
  3. 3. Ingeniería HidráulicaTuberías Equivalentes Módulo Equivalente Serie ParaleloDiseño de Conducciones a presión 1. Análisis de la situación actual 2. Análisis de la población 3. Análisis de la demanda [Consumo per cápita y su distribución en el tiempo] 4. Análisis de la oferta [Calidad; cantidad; distancia; presupuesto] 5. Generación de alternativas 6. Comparación de Alternativas [técnica y económicamente] 7. Escogencia de una alternativa 8. Diseño final a. Planos b. Especificaciones c. Presupuesto d. Documentación Técnica3
  4. 4. Ingeniería HidráulicaCaudal de DiseñoQ prom = Volumen consumido en un día = Población x Dotación Segundos en un día 86400 sCaudal Máximo DiarioQmd = fmd x Qprom fmd = 1,5 [Factor máximo Diario]Caudal Máximo HorarioQmh = fmh x Qprom fmh = 2,5 [Factor máximo horario]Diseño de Tuberías a presión Ø2 Si Ø1Longitud de una tubería a presiónPara 3 o más tanquesAdemás [+] Si Q2 entra al nudo  B está “encima” de D [–] Si Q2 sale del nudo  B está “debajo” de D 1ra aproximación Si Q3 > Q1 [+]4
  5. 5. Ingeniería Hidráulica 1. Calculamos Øexacto con Hazen-Williams 2. Calculamos espesor de las tuberías (una arriba y una abajo) 3. Calculamos la longitud de las tuberías 4. Calculamos la celeridad, área y velocidad equivalente 5. ¿Cierre lento o rápido? Periodo de la tubería 6. Calculamos la presión en lugares estratégicos como las válvulas y los puntos bajos 7. Dibujamos usando SDR‟s PRESIÓN DE DISEÑO Pdiseño = Pestática + PgolpeAriete Ptrabajo = Presión que “resiste” el tubo Pdiseño ≤ 0.8 Ptrabajo Cálculo de la SobrepresiónCeleridad: velocidad de la onda de choque. Refiriéndosea la velocidad que se genera cuando ocurre unaobstrucción en la tubería. Fórmula General  Allievi Agua LimpiaDondeg  Gravedad Material Constante kE Módulo de elasticidad del fluido Acero 0,5e  Módulo de elasticidad del tubo Hierro dúctil 1,0e  espesor del tubo Concreto 5.0k  Constante del material PVC 18Periodo de la tubería: Tiempo que le toma al fluidocompletar un “ciclo” al encontrarse con una obstrucción5
  6. 6. Ingeniería HidráulicaSi el Tiempo de Cierre (tc) es menor al periodo de la tubería (T) se supone uncierre instantáneo, si el tiempo de cierre es mayor se considera un cierre lento Cierre Instantáneo Cierre lentoPara tubería en serie Celeridad Equivalente Velocidad Equivalente Área EquivalenteGolpe de Ariete (sobrepresión):Para un tubo y un fluido infinitamente rígidoCierre instantáneo JoukovskyCierre lento Michaud- Vensano Allievi Constante del tubo Constante del tiempo Constante del gráfico Ver Anexos [A#] a [A#]Espesor6
  7. 7. Ingeniería HidráulicaDiseño de Redes de Tuberías a PresiónSegún su caudal: Según se configuración:Redes No-Homogéneas: El caudal no Abiertas o Ramificadases igual en todos los tramos. El caudal total es igual al caudal que entra al tubo y al caudal de salidaRedes Homogéneas: El caudal q es Ventajas:igual para todos los tramos. Fáciles de calcular y de entender su funcionamiento Más económicas Menos accesorios Desventajas Una sola vía de abastecimiento Poco control en caso de daños Sensibles a cambios de caudal o presión Cerradas o anilladas Ventajas: Varias vías de abastecimiento Mejor control de daños No acumulan sedimentos Desventajas Son más caras Más difíciles de calcularProcedimiento 1. Determinar gradiente Hidráulico 2. Asignar 15 mCa al nudo crítico 3. Analizar tramo desde fuente hasta nudo crítico (i más pequeño) 4. Calcular la pérdida en el tramo del nudo crítico 5. Se calcula el Ø y se elige el diámetro comercial que se aproxime más a la pérdida calculada 6. Calcular pérdida en el tramo que sigue hacia el tanque y se calcula el Ø 7. Se elije nuevo nudo crítico a partir de los ramales existentes7
  8. 8. Ingeniería HidráulicaCaudal para Redes Abiertas y homogéneas Si QA, QB, QC, QD, QE, QF, QG son los caudales de salida de los puntos A, B, C, D, E, F, G en los tramos 1, 2, 3, 4, 5, 6; entonces: El caudal del tramo 2 es QC; el caudal del tramo 1 ES QC+ QB El caudal del tramo 6 es QG; el caudal del tramo 4 es QE + QF + QG y el caudal del tramo 3 es QD + QE + QF + QG8
  9. 9. Ingeniería Hidráulica Simbología Anexos Q  Caudal [A1] Diámetro Nominal M  Módulo de caudal k  Constante ½” = 12 mm 3” = 75 mm Ø  Diámetro ¾” = 18 mm 4” = 100 mm e  espesor 1” = 25 mm 6” = 150 mm 1 ½” = 37 mm 8” = 200 mm 2” = 50 mm 10” = 250 mm 2 ½” = 62 mm 12” = 300 mm [A2] Dotación Aproximada CR Zona Rural 200 L × persona × día Zona Urbana 300 L × persona × día Zona Costera 375 L × persona × día GAM 375 L × persona × día *80% dotación se „devuelve‟ al sistema [A3] SDR  Ø/e SDR PSI mCa Kg/cm2 41 100 70 7 32,5 125 88 8.8 26 160 112 11.2 17 250 176 17.6 Usando un Factor de Seguridad SDR mCa máximo 32,5 70 26 90 17 140 Hierro o acero +1409
  10. 10. Ingeniería HidráulicaAnálisis de Redes Cerradas En cada Nodo En cada anillo En cada TramoMétodo del pseudo-anilloPérdidas Locales ( ht = hf + hl )Caudal por tramo con consumoProcedimiento 1. Calcular caudal de diseño [Qmh] y el caudal por tramo con consumo y se divide entre dos (caudal de entrada y salida de la tubería) 2. Calculo el caudal disponible para cada nodo considerando cuantas tuberías están conectadas al nodo. 3. Estimo usando la altura de los tanques y el diámetro de las tuberías el caudal que conecta los tanques con la red. 4. Usando los caudales anteriores se calcula los caudales en las tuberías considerando que la sumatoria de los caudales en cada nodo debe ser cero. Los caudales de las tuberías son los caudales iniciales [Q0] de los tramos. 5. Calculo las pérdidas usando Hazen-Williams y los valores dados de longitud [l], diámetro [Ø] y caudal inicial [Q0]. 6. Calculo hf/Q, recordando que debe ser siempre positivo. 7. Calculo el error en cada tramo [∆Q] 8. Calculo el caudal total: QT = Q0 + ∆Q10
  11. 11. Ingeniería HidráulicaDiseño de Redes CerradasDiámetro mínimo de 50 mm para agua potable y un error menor a 2mCa. Nóteseque se harán 2 “rutas”, para llegar del punto más alto (nodo con mayor carga[h]) al punto más bajo (nodo con menor carga [h])Procedimiento 1. Calculo Gradiente Hidráulico para conocer el nudo crítico principal y secundario. Inicio el diseño en el anillo que contenga el nodo crítico principal. 2. Del análisis de la red (u otro), obtenemos los caudales del anillo que estamos diseñando, siendo cuidadosos con la dirección de los caudales. 3. Calculamos la carga estimada [hest] ya sea restando la carga entre los dos puntos (en el caso que el nodo de mayor y menor sean consecutivos) o usando trigonometría, y recordando que en cada anillo la suma de las pérdidas debe ser cero. 4. Calculo el diámetro exacto usando Hazen-Williams y la carga “hest”. 5. Tomando el diámetro interno comercial automáticamente superior e inferior calculo las pérdidas reales para ese diámetro y escojo la más similar al hest. 6. Calculo la velocidad del fluido usando los diámetros internos comerciales y el caudal de la tubería. 7. Calculo la carga en los nodos que estoy diseñando: El nodo inicial: h 0 = Z + 15 mCa, para el nodo siguiente tomamos esta carga y le restamos la pérdida real. 8. Calculo la presión en los nodos que estamos diseñando al restar la carga [h] a la altura de los nodos [msnm] 9. Repito el procedimiento con la otra “ruta”11
  12. 12. Ingeniería HidráulicaTurbo máquinasCarga Euler BernoulliGrado de Reacción ε = 0  Máquina de acción ε ≠ 0  Máquina de reacciónPotencia Potencia que recibe el fluido Potencia que recibe la bomba Eficacia de la bomba (60%-90%) Eficacia del motorCurvas Características (Bombas y sistema)Se desea que el punto de operación tienda a ser igual al punto del caudalóptimo (intersección entre la curva del sistema y la curva de la bomba).Las bombas en serie aumentan carga [H] y en paralelo aumentan caudal [Q].Leyes de semejanzaSí Ø1 = Ø2Sí ω1 = ω212
  13. 13. Ingeniería HidráulicaDiseño Económico simplificado de tuberías impulsiónDiámetro EconómicoBresse Bombeo 24h Bombeo parcialVibert kv = 1.55 [Bombeo 24h] kv = 1.35 [Bombeo 10-12h]CostosCosto inicial y totalCosto tuberíaCosto BombaCosto Energía mensualValor PresenteTubería de succiónAltura Neta Positiva de Succión NPSH NPSH Disponible NPSH Requerida Pérdidas por accesorios13
  14. 14. Ingeniería HidráulicaFlujo Canales AbiertosClasificación Variación En Tiempo Variación Espacio Permanente No permanente Flujo Uniforme Flujo No-UniformeEstado de FlujoReinoldsRh = Radio HidráulicoPara Canales Abiertos Re < 500  Laminar Re >12500  TurbulentoEfecto de la gravedad Fr = Número de Fraude DH = Profundidad HidráulicaFr < 1 Flujo Subcrítico [V < 0]Fr = 1  Flujo Crítico [V = 0]Fr > 1  Flujo Supercrítico [V > 0]Celeridad en canalesFuerza Específica14

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