aprovechamiento de los recursos hidraulico …

INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA

APROVECHAMIENTO DE LOS RECURSOS HIDRAULICO SUPERFICIALES PARA EL

ABASTECIMIENTO DE UN RANCHO, EN LA ZONA SERRANA DE URES, SONORA.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

PRESENTA

ARMANDO MEDINA DOMíNGUEZ

CD. OBREGÓN, SONORA JUNIO DE 2005

D E D I C A T O R I A A DIOS:

A ti Señor por haberme dado este gran regalo, mi vida, a través de la cual he

tenido muchos logros y caídas, de las cuales he aprendido mucho y me han

servido para seguir en el gran camino que me queda por recorrer.

A MIS PADRES:

A mis padres Armando y Amalia por haberme dado la vida, que desde el primer

día que vi la luz me guiaron y lo seguirán haciendo para tomar las mejores

decisiones. Gracias por su amor y apoyo incondicional que me brindan en

cualquier momento. LOS AMO…

A MI HERMANO:

A ti Juan Manuel Medina Domínguez por ser una persona sumamente importante

en mi vida y sentirte cerca, a ti por ser el mejor hermano que puedo tener, chapo

te quiero mucho.

A ANA LOURDE :

Mi carrera es una de las etapas mas importantes de mi vida y ahí conocí a una

gran mujer, a la persona que me ha brindado su amor y confianza, Ana Lourdes

gracias porque a lo largo de cuatro años siempre estuviste a mi lado, me brindaste

tu apoyo incondicional, que en las buenas y en las malas ahí estuviste siempre.

GRACIAS !!!!!!!!!!!

A LA FAMILIA PARRA DOMINGUEZ:

A ustedes que me brindaron su cariño y apoyo cuando mis padres estaban lejos

gracias tía Martha y tío Valente por saberme escuchar y comprender. A ti Verónica

Parra por ser una gran amiga, gracias por escucharme cuando lo necesite, por

compartir secretos y buenos momentos. Valente gracias por ser como un hermano

mayor para mi, gracias a todos los quiero mucho !!!!!!!!!.

A LA FAMILIA MENDIVIL FULLER

Gracias por abrirme las puertas de su casa, que a lo largo de mi carrera me

apoyaron y me brindaron su confianza. Siempre los voy a tener presentes muchas

gracias…

A MIS HERMANOS

A las personas que cuando comencé mi carrera me brindaron su confianza sin

conocernos, pero en los últimos años nos fuimos conociendo, se que son los

mejores amigos que pude haber encontrado, porque sé que en ellos puedo confiar

y contar en cualquier momento de manera incondicional, nunca olvidaré los

mejores momentos que pasamos juntos, Gracias a ustedes hermanos Jafeth y

Cesar por estar siempre a mi lado cuando los he necesitado.

A MIS ABUELOS

A los pilares de mi familia, aquellas personas ejemplo a seguir para poder ser un

triunfador, a mis abuelos Juan y Manuel nunca los voy a olvidar. A unas

excelentes mujeres Aurora y Esperanza las quiero mucho, Gracias por todo…

A G R A D E C I M I E N T O

Al Instituto Tecnológico de Sonora por ser la base de mi formación académica

como profesionista y enseñarme con los mejores métodos y conocimientos para

lograr una de mis grandes metas.

Al Ing. Héctor López Cervantes por el tiempo y dedicación que me brindó para

poder culminar con el trabajo de investigación, así como su confianza y apoyo

incondicional.

Al Sr. Víctor Domínguez Pérez por permitirme entrar en el rancho El Carrizal para

poder desarrollar el trabajo de investigación y culminar con mis estudios. Gracias

por darme la facilidad y apoyo en estos últimos meses.

MUCHAS GRACIAS !!!!!!!!!!!!!!!!!

i

R E S U M E N

Se analizó y calculó un sistema hidráulico para poder contrarrestar la escasez de

agua y la sequía, así como la muerte de ganado en el tiempo más crítico de estas

épocas.

El presente trabajo se desarrolló en el rancho El Carrizal localizado en el estado

de Sonora al norte de la ciudad de Ures. El rancho cuenta 150 cabezas de

ganado, con 4 personas que la habitan.

El sistema consta de tubería de polietileno de alta densidad resistente a agentes

climáticos y a características del lugar, con una longitud total de 2111 metros, 2

cárcamos de bombeo, uno de ellos ubicado en el inicio del sistema que es donde

se localiza el manantial, fuente de abastecimiento, y el segundo a mitad del

sistema.

ii

I N D I C E

Agradecimientos

Resumen …………………………………………………………………………. i

Índice ……………………………………………………………….………………… ii

Lista de tablas.......................................................................…………………… v

Lista de figuras………………………………………………………………………. vi

Lista de Anexos …………………………………………………………………. viii

I. INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes ………………………………………………………….. 1

1.1.1 Descripción y localización …………………………………………… 2

1.1.2 Geomorfología ………………………………………………………….. 4

1.1.3 Topografía ………………………………………………………………… 4

iii

1.1.4 Clima ……………………………………………………………...…… 4

1.1.5 Hidrología…………………………………………………..……………… 5

1.1.6 Disponibilidad del agua …………………………………………... 6

1.1.7 Aspectos socioeconómicos …………………………………………... 7

1.1.8 Reseña del Acueducto Río Colorado Tijuana ............................. 8

1.2 Planteamiento del problema ….……………………………………….. 10

1.3 Justificación………………………………………………………………….. 11

1.4 Objetivos …….…………………………………………………………….. 12

1.5 Delimitaciones …………………………………………………………… 12

II. MARCO TEÓRICO

1.6 Hidráulica de tuberías ………………………………………………….. 15

2.1.1 Conducto sencillo ……………………..…………………………… 15

2.1.2 Red ramificada …………………………..……………………………… 16

2.1.3 Ecuaciones fundamentales de la hidráulica ………………………. 17

2.1.3.1 Gasto o caudal ……………………………….…………. 17

2.1.3.2 Ecuación de la energía …………………………………… 18

2.1.3.3 Pérdidas de energía …………………………………………. 19

2.1.3.4 Tuberías comerciales ………………………………………. 26

2.2 Equipos de bombeo ….……………………………………………… 42

2.2.1 Bombas centrífugas …………………………………………….…… 44

2.2.1.1 Altura de bombeo …………………………………………. 46

2.2.1.2 Eficiencia en bombas …...…………………………………. 46

2.2.1.3 Curvas características ……..…………………………... 47

2.2.1.4 Selección de equipo de bombeo …………………………. 49

2.2.2 Bombas en serie ….……………………………………………… 50

2.2.3 Planta de bombeo …….…………………………………………… 51

2.2.3.1 Obra de Toma …………………………………………………. 52

2.2.3.2 Cárcamo de bombeo ….………………………………………. 53

iv

2.2.3.3 Equipo de bombeo ….………………………………………. 56

2.2.3.4 Sistema de succión ….………………………………………. 56

2.2.3.5 Sistema de descarga …….……………………………………. 57

2.2.3.6 Protección de las instalaciones ….………………………. 58

2.3 Aforos de corrientes superficiales ……...…………………………… 59

2.3.1 Vertedores …………………………………………………………….. 59

2.3.2 Estimación volumétrica de campo .…………………………. 60

2.3.3 Relación sección-pendiente ...………………………………… 60

2.3.4 Otros métodos ……………..…………………………………………… 61

2.4 Combustibles en equipo de bombeo ……..…………………………… 61

2.4.1 Motores a gasolina ………….……………………………………… 61

2.4.2 Motores eléctricos ……………………………………….………… 62

2.4.2.1 Consumo de energía eléctrica …………………………. 63

2.4.2.2 Celdas solares …….…………………………………… 63

2.5 Aguas subterráneas ….……………………………………… 68

2.5.1 Manantiales …………………..…………………………………….. 69

2.6 Demandas de agua …………………..…………………………….. 69

2.7 Software aplicado a redes hidráulicas ………………………………….. 70

III. METODOLOGÍA

2.8 Estudios topográficos ………………………………………………….. 72

2.9 Diseño hidráulico ………………………………………………………….. 75

2.10 Selección de equipo de bombeo …….…………………………….. 76

2.11 Fuente de suministro de combustible …….…………………………….. 77

2.12 Software aplicado ………………………………………………………….. 78

v

IV. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN.

2.13 Estudios topográficos ………………………………………………….. 82

2.14 Línea de abastecimiento ………………...………………………………… 83

2.15 Equipo de bombeo ………………………………………………………….. 84

2.16 Disponibilidad de agua …………………………………………… 85

V. RECOMENDACIONES ................................................................... 86

BIBLIOGRAFÍA …………...……………………………………………… 89

ANEXOS ……………………………………..……………………………………. 91

vi

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Rugosidad absoluta y coeficientes de pérdidas para tubería comercial 23

Tabla 2 Especificaciones de tubería de P.V.C. RD – 41 (Serie inglesa) …… 28

Tabla 3 Especificaciones de tubería de P.V.C.

RD – 32.5 (Serie inglesa) …………………………………………… 28

Tabla 4 Especificaciones de tubería de

P.V.C. RD – 26.0 (Serie inglesa) …………………………………………… 29


P.V.C. CLASE – 5 (Serie métrica) ………………………………….… 29







vii

Tabla 9 RD para tubería de polietileno …………………………………………… 34

Tabla 10 Presión de trabajo de la tubería ………………………………....…. 37

Tabla 11 Presiones de trabajo de tubería ESTRU PAK…………………………… 38

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Localización del rancho El Carrizal en el estado y …………….. 3

municipio de Sonora

Figura 2. Represa en estado crítico del racho El Carrizal ….…………..…. 7

Figura 3. Casa panorama de vegetación del rancho El Carrizal……………. 3

Figura 4. Terreno que atravesara el proyecto en el rancho ………………. 8

El Carrizal Mayo de 2004

Figura 5. Esquema de la línea de conducción Río Colorado – Tijuana. ….. 9

Figura 6. Línea de conducción atravesando la Rumorosa ………………..… 9

Figura 7. Fotografía de una panel solar. ………………….……………..…… 64

Figura 8. Colocación de celdas solares para su utilización .………..…..… 65

Figura 9. Fotografía de una celda …………………………………….…..….. 66

Figura 10. Corte Dimensiones de una celda solar. ..…………………………. 67

Figura 11. Corte trasversal de una celda solar. ……...……………………….. 67

Figura 12. Baterías necesarias para el almacenamiento …………………… 68

ix

de la energía eléctrica.

Figura 13. Levantamiento del punto inicial de la

nivelación topográfica ……………………………………………. 74

Figura 14. Levantamiento topográfico a través del camino inexistente. ……. 74

Figura 15. Levantamiento topográfico a través del represo. …………………. 75

Lámina 1-71 Partes de una planta de bombeo para …..……………………….. 52

aprovechamiento superficial

Lámina 1-74 Parámetros para diseño de cárcamo ……………..…………….. 54

Lámina 1-75 Parámetros del cárcamo según el Instituto de Hidráulica …..……. 55

Lámina 1-79 Accesorios de la succión, bomba centrífuga ……..……………... 57

Lámina 1-83 Elementos mínimos en la descarga ……………………………. 58

x

LISTA DE ANEXOS

ANEXO I: Tabla de resultados generales ……………………………………. 92

ANEXO II: Levantamiento topográfico 1 ……………………………………. 93

ANEXO III: Levantamiento topográfico 2 ……………………………………. 97

ANEXO IV: Tablas de Curva característica bombeo ……………….….……. 101

ANEXO V: Características de la tubería EXTRU PAK

dependiendo de su RD ………………………………....... 107

ANEXO VI: Dimensión de un cople de una pulgada. ……………........... 111

ANEXO VII: Perfil de la línea pelo de tierra ………………………….... 112

ANEXO VII: Distribución de los elementos del diseño hidráulico a

través de la línea pelo de tierra. ……..…………………………… 113

ANEXO IX: Medidas del cárcamo de bombeo ………………………………….... 113

1

I. MARCO DE REFERENCIA

1.1.- Antecedentes Desde los primeros intentos para trasladar agua de un lugar a otro sin emplear

recipientes, el hombre se interesó en la mecánica de fluidos, pero durante siglos

sus conocimientos fueron obtenidos a base de observaciones, tediosos tanteos y

empirismos, con soluciones muy restringidas. A partir del siglo XVIII los

matemáticos y fisicomatemáticos intentaron dar respuestas analíticas a muchos

problemas del movimiento de los fluidos que se lograron gracias a una serie de

suposiciones simplificadoras; sin embargo dichos resultados no se adaptaron

fielmente a la realidad.

Durante los últimos diez años el estado de Sonora ha sufrido escasez de agua

debido a las pocas precipitaciones que se han registrado a lo largo y ancho del

estado, lo que a traído como consecuencia poca productividad del campo agrícola,

tanto de riego como de agostadero de las zonas serranas, presentándose

2

también la muerte de ganado por falta de agua para beber y por la nula presencia

de pastizales.

El municipio de Ures Sonora, es la ciudad mas antigua del estado de Sonora, fue

fundada con categoría de misión en 1644 por el misionero jesuita Francisco París,

a partir de 1665 se le conoció con el nombre de San Miguel de Ures. Actualmente

su actividad económica principal son la ganadería y la agricultura, pero la escasez

de agua le impide practicarla libremente. Esto ha provocado que propietarios de

ranchos y ganaderos, que transportan agua en tinacos o depósitos especiales,

desde pozos localizados en la cabecera municipal, lo que significa grandes

erogaciones económicas adicionales.

Al Norte, del municipio de Ures, se localiza el rancho El Carrizal, que cuenta con

más de 150 cabezas de ganado y tiene la necesidad de abastecerse de agua para

beber. El problema radica en trasladar 50 litros diarios por cabeza de animal más

una demanda importante para satisfacer los consumos domésticos. Como fuente

de abastecimiento, los habitantes del poblado tienen localizado un manantial

relativamente próximo que puede dar la cantidad suficiente de agua con la calidad

para ser bebida tanto por los animales como por las personas.

1.1.1 Descripción y localización La zona en estudio se encuentra ubicada en el Municipio de Ures, Sonora, en la

parte más serrana, está ubicado al centro del estado de Sonora, su cabecera es la

población de Ures y colinda al norte con Aconchi, al este con Villa Pesqueira, al

sur con Mazatán, al oeste con Hermosillo y San Miguel de Horcacitas, al noreste

con Baviácora y al noroeste con Rayón. El municipio de Ures posee una extensión

territorial de 2,618.56 kilómetros cuadrados que representa el 1.41 por ciento del

total estatal y el 0.13 por ciento del nacional, cuenta con una densidad de

población de 27 habitantes por kilómetro cuadrado.

3

El camino de acceso al rancho El Carrizal es de tipo rocoso y de difícil recorrido,

lo ideal es acceder en vehículo con tracción en las cuatro ruedas, o en caballos y

mulas. Este no cuenta con un camino en buenas condiciones de transportación; la

flora y fauna con que cuenta son de tipo desérticos y de clima seco. Su vegetación

se compone de arbustos y encinos tipo matorral, gobernadora, mezquite, palo

verde y sangregado, entre otros, que necesitan de pocas cantidades de agua

para su sobrevivencia.

Figura 1. Localización del rancho el Carrizal en el estado de Sonora y municipio de Ures.

4

1.1.2. Geomorfología En la zona de estudio la mayoría del terreno es rocoso y de tierra árida, que se

clasifica en roca o suelo igneo, extrusivo y sedimentario. En la mayoría de la

zona serrana se encuentra gran cantidad de rocas de gran dimensión que

ocasiona que el agua subterránea presente en el yacimiento de estudio choque

con piedras bajo la superficie que hace que el agua no continúe su camino y brote

sobre la superficie, proporcionando una gran fuente de abastecimiento.

1.1.3. Topografía En el municipio de Ures, el terreno no presenta muchas irregularidades por ser

una región semi plana con una altura sobre el nivel del mar de 55 metros, sin

embargo mientras mas se acerca a la zona serrana, la topografía varia y

aumenta, presentando diferencias de 845 metros.

El rancho El Carrizal se encuentra a 36 kilómetros del pueblo de Ures, sobre la

sierra de Baviácora, que es la división entre los municipios de Ures y Baviácora,

ubicada en la Sierra Madre Occidental como cañadas del Norte. La altura máxima

del lugar es de 1200 metros sobre el nivel del mar, el manantial se localiza a una

altura de 707.8 metros sobre el nivel del mar y la vivienda del rancho a donde

llevará la tubería del proyecto se encuentra a 914 metros sobre el nivel del mar.

1.1.4 Clima El clima en el municipio de Ures es seco semi-cálido con un régimen bajo de

lluvias en verano. Su temperatura media anual es mayor de 18 ºC, la temperatura

media del mes más frío varía entre -3.0 º y 18 ºC. La precipitación total del mes

más seco es menor de 0 mm, debido que en el estado son escasas en las

temporadas más calientes. Estas temperaturas son muy similares a las que hay en

la capital del estado, Hermosillo Sonora.

5

1.1.5 Hidrología

Los recursos hidrológicos de la zona se componen básicamente por los ríos

Sonora y San Miguel que concluyen a pocos kilómetros al este de la cabecera

municipal. El mas importante es el río Sonora, nace al Noreste del Estado y es el

único con caudal permanente. Ocupa el tercer lugar en el estado en cuanto a

extensión de cuenca y magnitud de aportaciones. El río San Miguel cuenta con

una cuenca de 8,427 Km2 y nace en la serranía de los municipios de Cucurpe,

Rayón y San Miguel de Horcasitas, y vierte sus aguas en las inmediaciones de la

ciudad de Hermosillo, sobre el vaso de almacenamiento de la presa Abelardo L.

Rodríguez y es utilizada para el consumo de la población, para riego agrícola y

recarga del manto acuífero. Desde el año 2000, dada la sequía general que afectó

a nuestro país, actualmente estos ríos están prácticamente secos por lo que el

agua se obtiene de depósitos del subsuelo.

La precipitación promedio anual en el municipio es entre 400 y 500 mm de agua

según datos del Instituto Nacional de Estadística Geográfica e Informática.

En el rancho El Carrizal, se localiza un manantial, que tiene 50 años brotando y

dando agua, su gasto varía dependiendo de la temporada y la cantidad de agua

que se presenta en la región. La mínima cantidad obtenida de este es de 8,600

litros por día, lo que permite identificar que el manantial cuenta con una cantidad

de agua suficiente para continuar su abastecimiento dándole un buen uso.

El rancho también cuenta con un represo de almacenamiento que fue construido

por los propietarios del lugar para captar el agua proveniente de las lluvias que

baja por las serranías de su alrededor, con la finalidad de tener agua para

abastecer al ganado; pero debido a las malas condiciones del lugar, la cantidad de

cabezas de ganado y las lluvias escasas, la cantidad de agua almacenada ha

disminuido. A principios del año 2005 se presentaron lluvias esporádicas, lo cual

provocó que la represa mantuviera en un nivel adecuado para abastecer la

cantidad de cabezas de ganado existente.

6

1.1.6 Disponibilidad de agua En un Estado árido como Sonora, donde las precipitaciones de manera general

son bajas, el problema de la sequía se debe ver como una situación normal. Por

consiguiente se debe preparar el manejo de los recursos naturales del agostadero

y el ganado; sin embargo, en épocas cuando se juntan dos o tres periodos de

lluvias que son más bajos de lo normal, se presentan crisis que no se pueden

prever y que requieren tomar medidas emergentes para salir adelante.

En época de sequía, para satisfacer las necesidades de demanda de agua para el

ganado y los consumos domésticos de la vivienda, se transporta agua, en barriles

o depósitos sobre camionetas, desde la cabecera municipal de Ures Sonora,

ubicado a 36 km del área de uso. Lo anterior significa grandes sacrificios para el

personal del rancho, pérdida de tiempo y grandes erogaciones para cubrir los

gastos de transportación. En época de lluvia y cuando estas son importantes, se

tienen buenos pastizales y el agua en las corrientes superficiales o almacenada en

pequeñas lagunas o depósitos naturales.

El personal del rancho ha vivido durante toda su vida de la explotación ganadera a

pequeña escala y de la agricultura de temporal. Los dueños localizaron un

manantial ubicado próximo al lugar y se desea saber la factibilidad de explotación

del manantial para mandar el agua hasta el rancho que está ubicado cuesta arriba

a más de dos kilómetros de distancia del manantial.

Como se ha citado anteriormente el rancho El Carrizal cuenta con 150 cabezas de

ganado las cuales necesitan 50 lpd dando una cantidad de 7500 lpd, la población

de 4 personas necesita 75 lps por persona que demandan una cantidad de 300

lps.

7

1.1.7 Aspectos socioeconómicos Las principales actividades económicas son la agricultura y ganadería que

generan el 38.3 por ciento de la población ocupada, la agricultura, se destina

específicamente a la producción de trigo, maíz, frijol, sorgo, que sirven de apoyo al

autoconsumo, y forrajes que hace a la agricultura muy dependiente de la actividad

pecuaria. La actividad forestal ha venido tomando impulso, pasando a ser una

fuente importante de empleos y diversificación de la economía municipal. En la

ganadería, principal actividad económica, se desarrolla la bovina, siendo la más

importante de las exportaciones pecuarias. Para esta actividad se cuenta con

agostaderos ejidales comunales y de pequeña propiedad. Su desarrollo

económico se basa en la producción de leche, becerros y vaquillas de engorda.

Figura 2. Represa en estado crítico del racho El Carrizal

Figura 3. Casa panorama de vegetación del rancho El Carrizal

8

Figura 4. Terreno que atravesará el proyecto en el rancho El Carrizal.

1.1.8 Reseña del acueducto Río Colorado – Tijuana En 1975, el Gobierno Federal inició la construcción del acueducto Río Colorado-

Tijuana (ARCT), obra de grandes dimensiones que demandó cuantiosos recursos

económicos cuya realización constituyo una hazaña de la ingeniería mexicana. El

06 de enero de 1975 se inició la construcción del Acueducto Río Colorado-Tijuana,

con capacidad de 4 m3/seg.

El acueducto tiene su origen en el canal alimentador central "Reforma" del Distrito

de Riego Número 14 del Río Colorado en el Valle de Mexicali, de este canal se

deriva el canal de alimentación hacia el ARCT con un desarrollo de 26.28 km. de

longitud de sección trapezoidal con una capacidad de conducción de 4 m3/seg.,

que descarga a tres tanques pre sedimentadores de 32,750 m3 de capacidad cada

uno.

La línea de conducción con un desarrollo de 123 km. hasta la planta potabilizadora

El Florido, la cual cruza la zona desértica de la Laguna Salada, se eleva

aproximadamente 1,061 metros de altura y atraviesa la zona montañosa de la

Rumorosa.

9

El punto de llegada del agua al final de la tubería de conducción se encuentra a

una distancia de 6 Km. de la Presa El Carrizo.

Figura 5. Esquema de la línea de conducción Río Colorado – Tijuana

Figura 6. Línea de conducción atravesando la Rumorosa

10

1.2 Planteamiento del Problema En la última década Sonora ha sufrido el fenómeno de la sequía, que afecta en

mayor medida a la escasez de agua para abastecimiento de ganado y uso

humano.

La necesidad del suministro de agua para sobrevivir en la zona desértica, es el

factor primordial que lleva a la investigación del aprovechamiento del agua

disponible en la fuente de abastecimiento tipo manantial, para contrarrestar el

efecto de la sequía, y poder utilizar el agua que en su momento no se usa, y poder

tener una mejor reserva y fuente de suministro del vital líquido.

Al conducir el agua, se podrá evitar la muerte o descenso del ganado en gran

porcentaje, así como tener una fuente de abastecimiento en la vivienda.

Según el informe de la alcaldía del año 2003 de la localidad y según comentarios

de los habitantes de la ciudad de Ures, la pérdida del ganado fue una de las más

fuertes en lo que va de la década, se perdió el 20 por ciento de las 25 mil cabezas

de ganado que había en la zona, y existía el temor que esas cifras aumentaran

hasta en un 50 a 60 %

En dicho informe el Sr. Manuel Domínguez comentó que el ganado estaba en el

monte, que en el pueblo y las parcelas ya no había nada que hacer, si querían que

sobrevivieran tenían que soltar el ganado a que buscara comida, que no había

alimentos para los animales, el forraje se había perdido y lo peor es que los pozos

se habían secado, esto trajo la baja de miles de cabezas de ganado y perdidas

enormes en la economía de la ciudad, de tal manera que comenzaron a

transportar agua hasta la zona donde se encontraba el ganado trayéndole grandes

costos de mantenimiento.

11

El problema consiste en conocer la capacidad del manantial y determinar la

posibilidad de abastecer y conducir el agua proveniente del mismo, hasta la

vivienda y bebederos para ganado, de acuerdo a las condiciones del lugar.

¿Se podrá reducir el factor económico, en cuanto al pago de gasolina, agua y

transportación del líquido con un diseño hidráulico adecuado?

¿Podrá realizarse un diseño hidráulico capaz de satisfacer la demanda de agua

para la necesidad del rancho El Carrizal?

1.3 Justificación del Problema El agua es el líquido vital del mundo, por ello es necesario cuidarlo y aprovecharlo

en su máxima expresión. El rancho cuenta con una fuente grande de

abastecimiento de agua, siendo este un manantial que brota en un área de dos

metros cuadrados dentro de los límites del terreno y puede ser explotado sin

mayor problema.

El diseño hidráulico, debe cumplir con levantar agua a una altura de 235 metros

siendo este el punto mas elevado de lugar por donde pasará la tubería desde el

manantial hasta el punto más elevado, y poder bombear la cantidad de 8.5 m³/día,

para contrarrestar la ausencia de agua y evitar el aumento de muerte de ganado,

abasteciendo 150 cabezas de ganado y 4 habitantes con un gasto total de 7800

litros por día. El diseño ayudará a utilizar al máximo el agua que se pierde por

filtración y no es aprovechada evitando el traslado desde la población más

cercana.

Los resultados obtenidos con el estudio del Diseño Hidráulico para el traslado del

agua desde el manantial hasta el rancho, serán de tipo Social y Económico, para

el diseño del mismo.

12

Con el estudio del diseño hidráulico, se obtendrán los siguientes beneficios:

El beneficiario principal será el propietario del lugar, quien tendrá una

alternativa para contrarrestar la sequía de los tiempos malos, teniendo una fuente

de abastecimiento de agua durante todo el año.

Ahorro de gasolina y gasto en el pago del pozo al transportar semanalmente

agua de la ciudad.

Beneficio social, con la finalidad de tener un apoyo de carne fresca, así como

de venta de cabezas de ganado.

Resumiendo, se evitaría la baja de cabezas de ganado en las temporadas malas.

Se evitará la transportación del agua al rancho desde la población más cerca o en

su defecto el traslado del ganado a ranchos cercanos, ya que habrá agua

constante sin necesidad de mover bienes.

Garantizar el suministro continuo y con calidad de agua para satisfacer las

necesidades y demandas del rancho.

1.4 Objetivo General Investigar la factibilidad de aprovechar el agua de un manantial para abastecer del

vital líquido al rancho El Carrizal del Municipio de Ures, Sonora.

1.5 Delimitaciones La disponibilidad de agua en este tiempo es poca en comparación con la que se

presenta en el tiempo de lluvia, debido que los mantos acuíferos se recargan y hay

una mayor disposición de agua por lo que el diseño se hará respecto a la cantidad

de agua que se tiene en el tiempo de sequía.

13

La altura que hay que vencer es apreciable, por lo que se tiene que tener cuidado

en el diseño de las bombas y la tubería.

Se utilizará el programa AH, debido que es el que se tiene a la disposición y del

cual se tiene el funcionamiento.

14

II. MARCO TEORICO

Según Sotelo (1979), La hidromecánica, es una rama importante que estudia las

leyes de equilibrio y movimiento de los fluidos incompresibles, especialmente de

los líquidos. Cuando las leyes y principios de la hidromecánica se aplican al

estudio del flujo de agua en estructuras que interesan directamente al Ingeniero

Civil, surge entonces la disciplina conocida como Hidromecánica Técnica o

Hidráulica.

La hidráulica es la ciencia que ayuda a llevar a cabo el diseño para la

transportación del fluido, empleando sus conceptos básicos y los métodos mas

adecuados para que se efectue el diseño de la mejor manera posible.

En el agua, las moléculas están más espaciadas, las fuerzas intermoleculares son

menores que en los sólidos y las moléculas poseen más libertad de movimiento.

Así los líquidos se pueden deformar fácilmente y es posible verterlos en

recipientes o forzarlos a través de un ducto.

15

El agua es un líquido que se conduce, moldeable a cualquier recipiente que lo

contiene en donde se desea depositar o trasportar de la mejor manera posible.

2.1 Hidráulica de tuberías. La presencia de bombas en sistemas de tuberías afecta las líneas de energía y de

gradiente hidráulico del flujo, ya que las bombas son máquinas hidráulicas cuyo

objetivo es convertir energía mecánica de rotación en energía cinética o potencial

del flujo dentro del sistema. El efecto de dicha conversión es añadir energía por

una unidad de peso al flujo. El aumento de energía se refleja en la altura

manométrica en cada punto, afectándose así la forma y pendiente de las líneas

mecánicas. (Saldarriaga 1998).

Al mostrar una bomba para el levantamiento del agua hacia la casa de la granja,

hay un cambio de energía y gradiente hidráulico, dándonos así la presión

necesaria para la conducción del fluido y levantamiento de esta, desde su

abastecimiento del agua (manantial) que da la succión hasta la desembocadura en

el rancho El Carrizal a través de tuberías flexible de polietileno.

2.1.1 Conducto Sencillo Es la línea de conducción que puede estar formada por dos o más diámetros y

materiales diferentes.

La energía que mueve el fluido dentro de ella, puede ser de tipo gravitacional (un

embalse o tanque a la entrada) o mecánica (una bomba). En este último caso,

para que la tubería pueda ser considerada como simple, la bomba debe estar

localizada en uno de los extremos. La tubería simple puede tener cualquier tipo de

accesorio que produzcan pérdidas menores, incluyendo válvulas para el control

del caudal. (Saldarriaga 1998).

16

Los problemas en la hidráulica de tuberías simples se pueden clasificar de

acuerdo con las variables desconocidas en el problema.

• Variables relacionadas con la tubería en sí: Diámetro de la tubería (d), longitud

de la tubería (l) y rugosidad absoluta de la tubería (ks)

• Variables relacionadas con el fluido: Densidad del fluido (ρ) y viscosidad

dinámica de fluido (μ).

• Variables relacionadas con el esquema del sistema: Coeficiente de pérdidas

menores de todos los accesorios necesarios, incluyendo válvulas (Σkm).

• Variables relacionadas con la energía impulsora del fluido: Altura (H) o

potencia de la bomba (P).

• Otras variables: Aceleración de la gravedad (g) y caudal o velocidad media en

la tubería (Q o v).

Las incógnitas para el diseño hidráulico son el caudal, el diámetro de la tubería o

la potencia de la bomba que es necesaria instalar para mover un determinado

caudal. Teniendo en cuenta la variable desconocida, los tipos de problemas son:

Comprobación de diseño, cálculo de potencia requerida y diseño de la tubería.

2.1.2 Red Ramificada De acuerdo a Sotelo (1979), una red abierta o sistema de tubería ramificada es el

conjunto de tubos que salen de un nudo y se van ramificando, sin volverse a unir

para formar circuitos, en la cual los extremos finales pueden descargar al aire

libre, en un depósito o en la conexión para abastecer un sistema de riego por

goteo o por aspersión.

La solución de una red abierta se basa en la aplicación de las cuatro ecuaciones

fundamentales del movimiento de los fluidos.

17

2.1.3 Ecuaciones fundamentales de la hidráulica. Tres son las ecuaciones fundamentales que rigen el movimiento de los fluidos: la

ecuación del gasto, la ecuación de la energía y la de pérdida de energía.

2.1.3.1 Gasto o caudal. El gasto se define como la cantidad de fluido que pasa por una sección transversal

de un conducto en la unidad de tiempo. Si A es la sección transversal del

conducto ocupada por el fluido, (área hidráulica), en unidades de longitud al

cuadrado (L2), y V es la velocidad media a través de toda la el área hidráulica, la

ecuación para calcular el gasto es:

A V Q = Ec. 1

Ecuación de continuidad.

Según Gies (1991), la ecuación de continuidad es una conservación del principio

de conservación de la energía. Para un flujo permanente, la masa de fluido que

atraviesa cualquier sección de una corriente de fluido, por unidad de tiempo, es

constante.

Constante V A V a 22211 1 == γγ Ec. 2

)/men ( Constante V A w V aw 322211 1 seg== Ec. 3

para fluidos incompresibles y para todos los casos prácticos en que w1 = w2, la

ecuación se transforma en:

)/³(tanVA VA Q 2211 segmtecons=== Ec. 4

Donde:

A1 = área de la sección transversal del conducto, en m2

V1 = velocidad media de la corriente, en m/s

18

2.1.3.2 Ecuación de la energía. A partir de la segunda ley de Newton, es posible derivar las ecuaciones de

movimiento aplicables a flujo de líquidos. Para ello es necesario considerar las

fuerzas que se oponen al movimiento, las cuales desarrollan trabajo mecánico

equivalente a la energía disipada al vencer dichas fuerzas. La ecuación de la

energía establece las relaciones entre las diferentes transformaciones de la

energía mecánica del líquido, por unidad de peso del mismo.

La carga de posición es la energía potencial, la carga de presión es la energía

correspondiente al trabajo mecánico ejecutado por las fuerzas debidas a la

presión; la carga de velocidad es la energía cinética del fluido en la tubería.

La ecuación general de la energía para una vena líquida que relaciona las

diferentes transformaciones de energía por unidad de peso, es:

dttV

gh

gVPZh

gVPZ PB ∫∑ ++++=+++

2

1

2

1

22

22

2

21

11

1)(1

22 ∂β∂α

γα

γ Ec. 5

en la cual, el análisis de cada uno de los términos corresponden a dimensiones de

longitud o carga en metros.

donde:

Z1 = energía potencial, con respecto a un plano horizontal de referencia (PHR)

pγ

= carga de presión o trabajo mecánico efectuado por las fuerzas debido a la presión.

α = coeficiente de Coriolis

β = coeficiente de Boussinesq

hpe

s

∑ = sumatoria de pérdidas desde la estrada hasta la salida del conducto.

1g

Vt

dt∂ β

∂( )

∫ = carga correspondiente al cambio local de velocidad.

hB = altura de bombeo. (en sistema de bombeo).

19

Si el flujo es permanente, esto es, que no haya variación de velocidad con

respecto al tiempo

0)(=

tV

∂β∂ Ec. 6

En la aplicación práctica de la ecuación de la energía, los coeficientes de Coriolis y

Boussinesq se consideran unitarios, principalmente para flujo turbulento (α = 1,

β=1).

Si la línea de conducción es por tanque elevado, no se tiene altura de bombeo, (hB=0).

∑+++=++s

ep

sss

eee h

gvp

Zg

vpZ

22

22 γγ Ec. 7

Según Bruce, la ecuación de la energía sirve para saber la cantidad de pérdidas

en las tuberías dependiendo del tipo de tubería y dependiendo de la bomba a

diseñar, de acuerdo al diseño y que de el mejor funcionamiento al respecto. De

otra manera Darcy brinda la ecuación para determinar las pérdidas en un tramo de

tubería, en donde la suma de todas ellas da el total de pérdidas en la red de

abastecimiento, con la cual se hace el diseño hidráulico de la obra en donde se

obtiene el mejor rendimiento.

2.1.3.2 Pérdidas de energía. Pérdidas primarias. La línea de conducción es la parte del sistema que canaliza

el líquido desde la entrada o el lugar de la captación hasta la salida o descarga, ya

sea al aire libre, a un tanque de regularización o a una planta potabilizadora o de

tratamiento. Estas líneas están formadas por conductos de uno o más diámetros

diferentes, estructuras o equipo de operación, de protección y especiales y por la

serie de accesorios necesarios para el buen funcionamiento.

20

Las pérdidas primarias o principales representan la caída de presión que se tiene

en los tramos de tuberías sin accesorios y están en función de la calidad del

material y de acabado interior del conducto.

En conductos cerrados, como las tuberías que trabajan totalmente llenas y a

presión, el movimiento de las partículas del flujo se puede deber al efecto de la

gravedad o a la presión ejercida por algún mecanismo exterior, como una bomba.

Al hacer desplazamiento del flujo hay fricción o rozamiento entre las paredes del

tubo y las partículas, esto genera diferencias de presión entre una sección y otra

del conducto, pérdidas de energía.

Las pérdidas de energía se valúan para conocer la caída de presión entre dos

secciones transversales del conducto, aplicando la ecuación de la energía,

conociendo las condiciones en una sección. Es importante hacer notar que el

fluido sólo pierde capacidad para alcanzar altura, no hay pérdida de materia, el

gasto que entra es el mismo que sale, siempre y cuando no halla entrada ni salida

transversal de materia en toda la tubería.

Las pérdidas de presión se valúan para conocer la caída de presión entre dos

secciones transversales del conducto, aplicando la ecuación de la energía.

Para calcular las pérdidas por fricción se utilizan las formulas de Darcy-Weisbach,

Hazen-Williams y Manning. La primera es la más usada en la actualidad en virtud

de que si toma en cuenta las características y las dimensiones del conducto. La

segunda es muy usada en monogramas para la obtención del gasto, depende del

material y el diámetro del tubo. La ecuación de Manning se aplica generalmente

en el estudio de conductos abiertos, canales principalmente.

Fórmula de Darcy-Weisbach. Una de las ecuaciones de mayor aplicación para el

cálculo de las pérdidas por fricción es la de Darcy-Weisbach. Desde finales del

siglo XIX, en experimentos con flujo de agua se demostró que la caída de presión,

21

en conductos con diámetro constante, es directamente proporcional al cuadrado

de la velocidad media, a la longitud de la tubería, al factor de fricción e

inversamente proporcional al diámetro, quedando expresada como:

gDLVfhf

2

2

= Ec. 8

donde:

hf = Pérdida de carga al pasar el fluido de una sección a otra. (m)

f = Factor de fricción, que depende de las condiciones del fluido. (adimensional)

D = Diámetro interior del tubo (m)

V = Velocidad media del fluido en el tramo. (m/s)

El factor de fricción f, depende del tipo de régimen. Para flujo laminar, cuando el

número de Reynolds es menos o igual a 2300, el factor se calcula:

vVD

f 64Re64

== Ec. 9

Siendo ν la viscosidad cinemática del fluido, en m2/s.

Para flujo turbulento, a partir de Re = 4000, f depende de la rugosidad absoluta y

de las dimensiones del tubo. 2

71.3log2

1

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

εD

f Ec. 10

ε = rugosidad absoluta, generalmente expresada en mm,

Fórmula de Hazen-Williams. Esta ecuación se puede aplicar para conocer las

pérdidas por fricción en cualquier tubería rugosa o lisa, para cualquier tipo de flujo.

Es más complicada y no toma en cuenta el tamaño del diámetro del tubo. Es de las

más aplicables en análisis de sistemas de distribución de agua potable en ciudades

o poblaciones; su uso está limitado a tuberías entre 2” y 72” de diámetro, con

velocidades menores de 3.0 m/s, para agua a temperatura menor de 15°

centígrados. Para el Sistema Internacional

22

54.0636.0355.0 SfDCV H=

o

S R C 50. = V 0.54fhH

63.08

Ec. 11

CH = Coeficiente de pérdidas de Hazen, adimensional

Sf = pendiente hidráulica. = hf/L

Fórmula de Manning. Es aplicable en flujo incompresible, turbulento, permanente

y uniforme en conductos de sección transversal constante. Su mayor importancia

está en la revisión o diseño de conductos a superficie libre como canales, ríos,

sistemas de drenajes, etc. Es una ecuación no homogénea dimensionalmente,

derivada de la ecuación de Chezy.

2/13/21 SRn

V = Ec. 12

2/13/2 SRnAQ = Ec. 13

donde:

n = rugosidad de Manning

R = radio hidráulico de la sección transversal del conducto, es la relación entre el

área hidráulica y el perímetro mojado de la sección. (m)

mojadoperímetrohidráulicaárea

PARh == Ec. 14

S = Pendiente hidráulica del conducto, m/m

A = Área hidráulica de la sección transversal del conducto, en m2.

En la tabla 1 se presentan los valores promedio de los coeficientes de pérdidas

por fricción para los diferentes tipos de materiales comerciales usados en la

aplicación de las tres ecuaciones para determinar las pérdidas por fricción.

23

Tabla 1 Rugosidad absoluta y coeficientes de pérdidas para tubería comercial

MATERIAL ε(mm) CH n

Vidrio, cobre, latón 0.009 150 0.009

PVC, hule o plástico 0.0015 150 0.009

Fierro fundido 0.250 130 0.013

Fierro galvanizado 0.150 125 0.014

Acero 0.100 135 0.014

Asbesto – cemento 0.025 135 0.012

Concreto liso 0.025 130 0.012

Concreto acabado normal 1.000 120 0.016

Mampostería 1.200 110 0.020

Concreto preesforzado 0.15 120 0.014

Pérdidas Secundarias Las pérdidas secundarias o pérdidas menores se presentan cuando el flujo en un

sistema de tuberías pasa por una serie de accesorios conectores como codos,

cambios de dirección, ampliación o reducciones, válvulas, etc., en los cuales se

tienen pérdidas de carga adicionales, principalmente por la separación de flujo. En

conductos de tubería con grandes tramos de sección constante estas caídas de

presión son menores y hasta despreciables, lo que simplifica de manera

importante el análisis hidráulico de esos sistemas.

Estas pérdidas pueden ser mas importantes que las de fricción si la línea es

relativamente corta. Se ha observado que para tuberías con longitud mayor o igual

a 1000 veces su diámetro, el error que se incurre al obtener el valor del factor de

fricción f, de la ecuación de Darcy-Weisbach o del coeficiente CH de Hazen-

Williams, es mínimo.

24

Las pérdidas secundarias pueden calcularse con la siguiente ecuación:

gvKhs2

2

= Ec. 15

donde:

hs = Pérdidas de energía secundarias, en m

K = Coeficiente adimensional de pérdidas secundarias

gv2

2

= Carga de velocidad aguas debajo del accesorio, salvo aclaración en

contrario.

Accesorios. Válvulas. Existen diversos tipos de válvulas disponibles para cada función,

también es necesario determinar las condiciones de servicio en que se emplearán

las válvulas. Es de importancia conocer las características químicas y físicas de

los fluidos que se manejan.

Válvulas de globo. Se utilizan para cortar o regular el flujo del liquido y este

ultimo es su uso principal. El cambio de sentido de flujo en la válvula ocasiona

turbulencia y caída de presión. Esta turbulencia produce menor duración del

asiento.

Las principales características de los servicios de válvulas de globo incluyen

operación frecuente, estrangulación al grado deseado de cualquier flujo, cierre

positivo para gases y aire, y alta resistencia y caída tolerable de presión en la

línea.

Los principales componentes usuales de una válvula de globo son: volante,

vástago, bonete, asientos, disco y cuerpo.

Válvulas de mariposa. Las válvulas de mariposa son uno de los tipos más

antiguos que se conoce. Son sencillas, ligeras y de bajo costo, El costo de

25

mantenimiento también es bajo porque tienen un mínimo de piezas móviles. El uso

principal de las válvulas de mariposa es para servicio de corte y de estrangulación

cuando se manejan grandes volúmenes de gases y líquidos a presión

relativamente bajas.

El diseño de flujo rectilíneo evita la acumulación de sólidos y produce baja caída

de presión. Su operación es fácil y rápida con una manija. Es posible moverla

desde la apertura total hasta el cierre total con gran rapidez. La regulación de flujo

se efectúa con un disco de válvula que sella contra un asiento.

Válvulas de macho. El uso principal de las válvulas de macho, igual que las

válvulas de compuerta, es servicio de corte y sin estrangulación. Dado que el flujo

por la válvula es suave e ininterrumpido, hay poca turbulencia dentro de ella y, por

tanto, la caída de presión es baja. Las ventajas principales de las válvulas de

macho son acción rápida, operación sencilla, espacio mínimo para instalación y

cierre hermético cuando tiene macho cónico.

Los principales servicios de las válvulas de macho incluyen apertura o cierre total

sin estrangulación; tienen mínima resistencia al flujo; son para operaciones

frecuentes y tienen poca caída de presión. Los componentes básicos son el

cuerpo, el macho y la tapa.

Válvulas eliminadoras de aire. Como una función física natural, el aire que entra

a la tubería se acumula en los puntos altos y en los cambios de pendiente.

Conforme aumenta el volumen de aire, se reduce el área efectiva de flujo de agua

causando un incremento de consumo de energía y por lo tanto mayor costo de

operación. En algunos casos se obstruye totalmente el flujo del líquido. Instalando

válvulas eliminadoras de aire en puntos altos y cambios de pendiente, se evitan

esos problemas logrando que el sistema opere al 100% de su capacidad.

26

Válvulas de pistón de alivio de presión y contra golpe de ariete. Estas válvulas

tienen como función principal la de aliviar sobré presiones, que se presentan en los

sistemas de bombeo, y que afectan de gran forma y en ocasiones destruyen

tuberías y accesorios. Son una protección para los sistemas de bombeo, por lo que

es imprescindible su instalación para disiparlas sobre presiones que normalmente

se producen al arranque y paro de los equipos de operación del sistema, así como

de los no controlados, provocados por la falta de energía eléctrica o por alguna otra

causa. Se instala normalmente en una derivación de la tubería principal, con

descarga a la atmósfera o bien para reciclar hacia la entrada de las bombas

(cárcamo).

Válvulas check silenciosa. Estas válvulas de retención o check, no permiten el

retorno del flujo en el sentido opuesto al bombeo y además son de cierre

silencioso. El diseño permite un cierre total cuando la velocidad es cero,

disminuyendo el golpe de ariete así como el retorno de la columna. Las válvulas se

pueden instalar en posición vertical u horizontal ya que están provistas de guías

que la aseguran. Son características importantes; que el área de flujo a través de la

válvula sea cuando menos igual al diámetro nominal de la tubería, con mínimas

pérdidas de carga en la conducción y un mínimo esfuerzo para su apertura.

2.1.3.3 Tuberías Comerciales. El uso de tuberías es muy frecuente para resolver múltiples necesidades, tales

como conducción de diferentes fluidos en la industria, en los servicios

municipales, en actividades agropecuarias, en la construcción y otras.

Tubería de PVC. Últimamente se ha generalizado el uso de tuberías de PVC para

diferentes líneas de conducción, encontrándose en el mercado los accesorios o

conexiones necesarias para realizar cualquier condición, como son: Líneas

hidráulicas de color gris, para conducción de agua potable con presiones de

trabajo entre 7 y 11 Kg./cm², y diámetros nominales desde 1 a 12 pulgadas, con

27

sistemas de unión espiga y campana o cementados. Se surten en tramos de 6.00

m en adelante. Líneas sanitarias de color crema, para la conducción de líquidos

sin presión, con diámetros desde 1 a 16 pulgadas y acoplamiento espiga-campana

y cementado. Línea industrial de color gris, para conducción de líquidos a presión

de trabajo hasta de 30 Kg/cm², con dos sistemas de unión: en cementado y

roscado. Línea de conducción de gas natural, de color amarillo, utilizada en obras

de conducción de gas natural, para presiones de trabajo de hasta 24 Kg/cm².

Líneas coduit, color verde, para alojar y proteger conductos eléctricos.

Ventajas técnicas y económicas del uso de PVC. Gran resistencia a la

corrosión, alta resistencia al envejecimiento, baja rugosidad absoluta, fácil de

instalar, alta resistencia química, bajo coeficiente de elasticidad y liviano.

La ASTM (American Society for testing and Materials) define el plástico como un

material que contiene esencialmente moléculas orgánicas de muy alto peso

molecular, sólido en su estado final y en alguna etapa de su fabricación es

formado por flujo a su forma final. El PVC tiene cuatro tipos de acuerdo a la

norma nacional, los cuales a su vez pueden tener varios grados. El mas

importante para la condición de líquidos es el tipo I grado I que reúne las

características físicas y químicas mas apropiadas para la fabricación de tuberías

para abastecer agua.

Desventajas: Baja resistencia al impacto, muy deformable a altas temperaturas,

no debe instalarse desprotegido y no debe exponerse a los rayos solares por

periodos prolongados.

28

Tabla 2 Especificaciones de tubería de P.V.C. RD – 41 (Serie inglesa)

Diámetro nominal (DE)

Diámetro externo (DE)

Espesor de pared (e)

Diámetro interno (DI)

(mm) (pulg) Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

50 2 60.1 60.5 1.5 2.0 56.80

60 2.5 72.8 73.2 1.8 2.3 68.90

75 3 88.7 89.1 2.2 2.7 84.00

100 4 114.1 114.5 2.8 3.3 108.20

150 6 168.0 168.6 4.1 4.6 159.60

200 8 218.7 219.5 5.3 5.9 207.90 Fuente: (1997) Manual de Prácticas de Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

Tabla 3 Especificaciones de tubería de P.V.C. RD – 32.5 (Serie inglesa)






Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

38 1.5 48.1 48.5 1.5 2.0 44.70

50 2 60.1 60.5 1.8 2.3 56.20

60 2.5 72.8 73.2 2.2 2.7 68.10

75 3 88.7 89.1 2.7 3.2 83.00

100 4 114.1 114.5 3.5 4.0 106.80

150 6 168.0 168.6 5.1 5.7 157.50


29

Tabla 4 Especificaciones de tubería de P.V.C. RD – 26.0 (Serie inglesa)






Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

38 1.5 48.1 48.5 1.9 2.4 43.90

50 2 60.1 60.5 2.3 2.8 55.20

60 2.5 72.8 73.2 2.8 3.3 66.90

75 3 88.7 89.1 3.4 3.9 81.60

100 4 114.1 114.5 4.4 4.9 105.00

150 6 168.0 168.6 6.5 7.3 154.50


Tabla 5 Especificaciones de tubería de P.V.C. CLASE – 5 (Serie métrica)






Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

100 4 106.8

160 6 160.0 160.5 2.8 3.3 154.25

200 8 200.0 200.6 3.5 4.1 192.70

250 10 250.0 250.8 4.4 5.0 241.00

315 12 315.0 315.9 5.6 6.4 303.45

355 14 355.0 356.1 6.2 7.0 342.35

400 16 400.0 401.2 7.0 7.9 385.70

450 18 450.0 451.4 7.9 8.9 433.90

500 20 500.0 501.5 8.8 9.9 482.05


30







Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

160 6 160.0 160.5 3.9 4.5 152.10

200 8 200.0 200.6 4.9 5.6 189.80

250 10 250.0 250.8 6.1 6.9 237.40

315 12 315.0 315.9 7.7 8.7 299.05

355 14 355.0 356.1 8.7 9.8 337.05

400 16 400.0 401.2 9.8 11.0 379.80

450 18 450.0 451.4 11.0 12.3 427.40

500 20 500.0 501.5 12.2 13.6 474.95

630 24 630.0 631.9 15.4 17.1 598.45 Fuente: (1997) Manual de Prácticas de Laboratorio de Mecánica de Fluidos







Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

160 6 160.0 160.5 5.5 6.3 148.45

200 8 200.0 200.6 6.9 7.8 185.60

250 10 250.0 250.8 8.6 9.7 232.10

315 12 315.0 315.9 10.9 12.2 292.35

355 14 355.0 356.1 12.2 13.6 329.75

400 16 400.0 401.2 13.8 15.4 371.40

450 18 450.0 451.4 15.5 17.3 417.90

500 20 500.0 501.5 17.2 19.1 464.45


31







Máximo (mm)

Mínimo (mm)

Máximo (mm)

Promedio (mm)

160 6 160.0 160.5 7.6 8.6 144.05

200 8 200.0 200.6 9.5 10.7 180.10

250 10 250.0 250.8 11.9 13.3 225.20

315 12 315.0 315.9 15.0 16.8 283.65

355 14 355.0 356.1 16.9 18.8 319.85

400 16 400.0 401.2 19.0 21.1 360.50

450 18 450.0 451.4 21.4 23.7 405.60

500 20 500.0 501.5 23.8 26.4 450.55


Tubería EXTRU PAK. Los múltiples usos a los que ha sido sometida la tubería

EXTRU PAK han resultado excelentes y la colocan en la preferencia de los

técnicos, prestadores de servicio y usuarios en general de áreas tan importantes

como son: Sistemas de abastecimiento de agua potable, sistemas de

alcantarillado municipal e industriales, manejo de diferentes productos químicos

industriales, sistemas agropecuarios, drenaje agrícola, protección de cables,

entubamiento subacuático o en terrenos inestables, dragado, fontanerías en

tanques, estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, distribución de gas

doméstico y oleoductos.

La tubería y conexiones EXTRU PAK son fabricadas con resina de polietileno de

alta densidad y alto peso molecular, el cual ofrece gran resistencia hidrostática

física, mecánica y propiedades de flexibilidad, así mismo permite su fusionabilidad

a base de calor controlado.

32

La resina de polietileno base, de acuerdo a sus características se encuentra

clasificada como Tipo III grado p-34 por ASTM -1248 y es designado como PE-

3408 por el Instituto de Tuberías Plásticas (PP) así como también es designado

por la Norma Oficial Mexicana NMX-E-18 como PE-3456.

Propiedades de la Tubería EXTRU PAK. La tubería EXTRU PAK a diferencia de

otros plásticos y materiales tradicionales, reúne excelentes propiedades físicas,

típicas de un polietileno de alta densidad y alto peso molecular. PE-3408 (PE-

3456). Las propiedades más importantes y de aplicación ingenieril son:

1. Densidad. La tubería contiene un rango de densidad de 0.941 a 965 grs/cm³

que como polietileno es definido como Tipo III.

2. Categoría. De acuerdo a su capacidad de fluidez a determinadas condiciones

de prueba el polietileno aplicado para la elaboración de la tubería EXTRU PAK

corresponde a un polietileno categoría 4.

3. Módulo de Flexibilidad. El módulo de flexibilidad de la tubería EXTRU PAK

fluctúa en rangos de 110,000 a 160,000 lbs/pulg².

4. Esfuerzo a la Tensión. Las características de tensión de la tubería EXTRU PAK

oscilan en valores de 3000 a 3500 lbs/pulg².

5. Resistencia al medio ambiente. Debido a su composición y desarrollo del

polietileno aplicado en la elaboración de la tubería EXTRU PAK, este polímero

es capaz de resistir el ataque biológico de los agentes inorgánicos existentes

en el subsuelo.

6. Esfuerzo hidrostático. El esfuerzo hidrostático aplicado para el diseño de

presiones de trabajo y presiones de reventamiento es de 160 lbs/pulg².

7. Protección UV. Debido a la adicción del 2 a 3 % del estabilizador UV, negro de

humo, la tubería es capaz de resistir por tiempo prolongado a la intemperie sin

sufrir degradación en sus superficies.

33

Ventajas de la Tubería EXTRU PAK Unión por Termofusión.

Las uniones de tuberías y conexiones ETXTRU PAK se llevan a cabo por medio

de termofusión, esto es calentando simultáneamente, las dos partes por unir

hasta alcanzar el grado de fusión necesario para que después, con una presión

controlada sobre ambos elementos, se logre una unión monolítica mas resistente

que la tubería misma y 100 % hermética.

Cuando sea necesario hacer una transición entre el sistema EXTRU PAK y otro

tipo de material se dispone de uniones mecánicas como son los adaptadores

bridas y de compresión.

Amplia gama de diámetros.

La tubería EXTRU PAK esta disponible en diámetros nominales desde 13 mm

(1/2”) a 900 mm (36”) con diferentes espesores de pared, lo qe permite el uso de

la tubería en diversas condiciones de trabajo.

La relación entre el diámetro exterior y el espesor de pared (RD) va de acuerdo al

sistema IPS.

Factor de flujo.

La tersura de la pared interior de la tubería EXTRU PAK se conserva durante todo

el tiempo que se requiera de su servicio, debido a que la resistencia que tiene a

las incrustaciones.

Los valores empleados para el cálculo son:

C = 150 para la formula de Hazen-Williams y n=0.009 como factor de Manning.

Resistencia al impacto.

Con la tubería EXTRU PAK no se tiene el riesgo de pérdidas de materiales por

fracturas debidas a golpes en el manejo de carga, almacenamiento o instalación.

Esto evita hacer gastos para excedentes por desperdicios.

34

Flexibilidad.

En todos los diámetros de tubería es posible disminuir considerablemente la

cantidad de codos para el cambio de dirección, el radio de curvatura de la tubería

se conserva con un mínimo de 10 a 20 veces el diámetro del tubo, según el RD

que se utilice.

Tabla 9 RD para tubería de polietileno RD RADIO MIN RD RADIO MIN4,1 22 17 13

32,5 20 13,5 1026 18 18 1021 16 16 10

Fuente: Manual Técnico de tubería EXTRUMEX sistema EXTRU PAK

Ligereza.

La tubería EXTRU PAK pesa mucho menos que la mayoría de otras tuberías en

los mismos diámetros, como es el caso del concreto, el acero, el asbesto-cemento

y el fierro fundido.

Su peso específico es de 0.955-0.957 por lo que puede inclusive flotar en el agua,

característica que se refleja en ahorros substanciales en mano de obra y manejo

para acarreo e instalación de la tubería.

Resistencia química.

La tubería EXTRU PAK es inerte a la acción de la mayoría de los agentes

químicos que se manejan en la industria y no se ve afectada por la composición

natural de los diferentes terrenos o agua marina, la exposición a ambientes

corrosivos, sean estos ácidos o alcalinos, húmedos o secos, sin llegar a oxidarse

escamarse o perforarse, aunque lleguen a existir reacciones químicas o eléctricas

en el ambiente o terreno circundantes.

La tubería EXTRU PAK no es conductora de electricidad no se presenta la

corrosión por electrólisis. Asimismo, no favorece el crecimiento de algas o

bacterias, ni la incrustación de los sólidos presentes en el agua.

35

Durabilidad.

El tiempo de vida útil estimada para la tubería de redes subterráneas que conduce

agua a 23 °C es 50 años.

Mantenimiento nulo.

Las características mencionadas, eliminan la necesidad de mantenimiento en las

redes de EXTRU PAK y, lo que es mas importante, no se tienen los problemas de

pérdidas constantes de agua por las uniones o por fractura, que afectan los

pavimentos, costos de equipo de bombeo y motivan elevados desperdicios de

agua o contaminación de las mismas, como puede suceder con otras tuberías.

Resistencia a la abrasión

EXTRU PAK se utiliza de forma inmejorable en el manejo de materiales altamente

abrasivos, como es el caso de conducción de lodos o Slurry, con una vida hasta

de 4 veces mayor que el acero en estos sistemas.

Resistencia a la intemperie.

EXTRU PAK cuenta con una protección contra los daños que pudieran causar su

exposición de los rayos ultravioleta del sol. El material contiene de 2-3% de negro

humo, uniformemente disperso, que además de darle color negro uniforme lo

protege de los efectos adversos de la intemperie por más de 50 años.

Resistencia en zonas difíciles.

Las propiedades físicas y químicas del material otorgan a EXTRU PAK la

característica relevante de poder utilizarse en cualquier tipo de terreno. La tubería

no es frágil ni excesivamente rígida, se flexiona ajustándose al contorno natural

del terreno y absorbe esfuerzos por impacto, por lo que no requiere de zanjas

profundas. Solo en terrenos rocosos se recomienda proteger la tubería del

contacto directo de piedras agudas.

36

Las características de resistencia y flexibilidad permiten que la tubería absorba

esfuerzos por oleaje, vibración o movimientos de terreno, por lo que su aplicación

resulta la opción ideal en el cruce de ríos, lagos, pantanos o donde el terreno sea

arenoso o inestable, absorbiendo con eficiencia esfuerzos provocados por

movimientos sísmicos de mediana y baja intensidad.

Temperatura.

Todas las tuberías termoplásticas son sensibles a los cambios de temperatura.

Conforme la temperatura aumenta, la resistencia de la tubería a esfuerzos

prolongados disminuye y viceversa.

Presión de trabajo de la tubería

Es la presión interna máxima a la cual se deberá someter la tubería cuando está

en operación, la cual se calcula con la expresión dada en la forma ISO-R-161 para

tubos de plástico para conducción de fluidos a presión:

donde:

P = Presión de trabajo (kg/cm²)

S = Esfuerzo hidrostático (56.25 kg/m)

Do = Diámetro exterior del tubo (mm)

t = Espesor mínimo de pared (mm)

R = Relación de Dimensiones dado por De/t

)(2

eDSeP−

= Ec. 16

Los rangos de presión de la tubería EXTRU PAK se clasifican con el término RD

que significa Relación de Dimensiones y se obtiene de la fórmula:

37

eDRD = Ec. 17

donde:

RD = Relación de Dimensión

D = Diámetro exterior del tubo

e = Espesor mínimo de pared

Dentro de un mismo RD la proporción entre el diámetro exterior y el espesor de

pared se mantiene constante. Lo cual significa que en un RD-17 el diámetro

exterior es 17 veces mayor que el espesor de pared. Esto sin importar el diámetro

que se trate.

Tabla 10 Presión de trabajo de la tubería en base a su RD y su factor de servicio a

partir de presión de reventamiento.

RD

PRESION DE

TRABAJO

(kg/cm²)

PRESION DE

REVENTAMIENTO(k

g/cm²)7,3 17,8 64,79,0 14 56,211,0 11,2 4513,5 9 36,117,0 7 2821,0 5,6 22,326,0 4,5 1832,5 3,6 14,241,0 2,8 11,3

TABLA 10. PRESION DE TRABAJO DE TUBERIA

Fuente: Manual Técnico de tubería EXTRUMEX sistema EXTRU PAK

A menor número de RD corresponde una pared más gruesa en comparación con

el diámetro exterior, inversamente, a mayor número de RD corresponde a una

pared más delgada en comparación con el diámetro exterior.

38

Factor de Servicio de la Tubería EXTRU PAK Es la relación que existe entre la presión de reventamiento y la presión de trabajo

de la tubería EXTRU PAK. En la tabla 11 se presentan las presiones de trabajo de

la tubería EXTRU PAK.

Tabla 11 Presiones de trabajo de tubería ESTRU PAK

PRESIÓN DE TRABAJO (kg/cm2)

RD Factor 3 Factor 4

PRESIÓN DE

REVENTAMIENTO

(kg/cm2)

9.0 18.7 14.0 56.2

11.0 15.0 11.2 45.0

13.5 12.0 9.0 36.1

17.0 9.3 7.0 28.0

21.0 7.4 5.6 22.3

26.0 6.0 4.5 18.0

32.5 4.7 3.6 14.2

41.0 3.7 2.8 11.3 Fuente: Manual Técnico de tubería EXTRUMEX sistema EXTRU PAK

Para las líneas expuestas a movimientos de terrenos o tráfico pesado, líneas a

intemperie con fluidos hasta de 37° C. Uniones mixtas.

La tubería se dispone en los diámetros de 3” a 36” en tramos de 12 m, en

diámetros de ½” a 2” en rollos de 150 m y en diámetros de 1 ½” en rollos de 100

m.

Las conexiones de polietileno EXTRU PAK son fabricadas básicamente en dos

formas:

a) Las moldeadas son aquellas que se fabrican por medio de inyección del

compuesto de un molde que permite tener cada conexión de una sola pieza. Estas

39

pueden usarse con tuberías de cualquier RD y están disponibles en diámetros

hasta de 6” en piezas como tees, codos, coples, tapones y reducciones.

b) Los esfuerzos a los que se somete una conexión, son mayores que los que

tiene que soportar la tubería a una misma presión de trabajo, por esta razón las

conexiones moldeadas se fabrican con espesores de pared mayores que los de la

tubería con las que se instalan para soportar la misma presión de trabajo, estos

esfuerzos se incrementan en las conexiones por efecto de su geometría.

c) Las conexiones prefabricadas están hechas a base de segmentos de tubería

que se cortan y se unen a tope, de acuerdo con la conexión deseada, ya sean

codos, yees o tees.

Por su forma y método de fabricación los adaptadores bridados pueden utilizarse a

la misma presión de diseño que la tubería de la que se fabricaron. Este es el

elemento que se utiliza como transición, entre EXTRU PAK y tuberías de otro tipo

o material como el PVC, asbesto-cemento-acero, así como acoplamiento para

válvulas de operación y equipos, o bien donde se requiera una brida ciega

desmontable. Estos adaptadores están constituidos por un tramo de tubo que en

uno de sus extremos tiene una brida de polietileno en la cual se apoya una

contrabrida deslizable de fierro, sobre la cual se aplicara el esfuerzo de ajuste de

los tornillos.

EXTRU PAK cuenta con conexiones para derivación conocidas como silletas, que

aplicadas sobre la línea principal permite la salida eliminando la instalación de tees

u reducciones así como de abrazaderas. Las silletas son conexiones de polietileno

con una base semicircular que se coloca sobre la curvatura de tubo principal y del

cual sale el cople de derivación del diámetro menor, debiéndose aplicar

únicamente en tuberías con espesores mayores a 5 mm con la finalidad de no

deformar la clave del tubo que proporciona fallas en el tubo.

40

Todas las conexiones mencionadas son de polietileno, por lo que su instalación

con la tubería es por medio de termofusión, pero existen otros elementos que

sirven de transición entre los tubos de polietileno y otras tuberías, su unión es en

forma mecánica.

Unión de Transición (Uniones Mecánicas) a) Transi-toma.

Conexiones Mecánicas fabricadas en diámetro de ¾ y ½ pulgadas, sujetas a la

tubería de polietileno por compresión.

Por el otro lado la conexión cuenta con rosca estándar, para recibir la cuerda del

elemento a conectar. El cuerpo de la conexión es una aleación de bronce 85-5-5-

5, la cual le proporciona una excelente resistencia a la corrosión y presión de

trabajo.

b) Adaptador Tuercas Unión.

Esta conexión se fabrica en diámetros de 1/2, ¾, 1, 1 1/4, 1 1/2, y 2 pulgadas.

Está formada por tuercas, contra tuerca de fogo y cople adaptador de polietileno.

En el otro extremo se instala el elemento metálico a conectar con cuerda estándar.

c) Adaptador brida.

El adaptador brida de polietileno. se usa para unir piezas metálicas bridas con

tuberías EXTRU PAK, este adaptador es unido a tope con tubería EXTRU PAK.

Unión Permanente Una de las características más importantes de la tubería de polietileno de alta

densidad y alto peso molecular, es su unión por termofusión, ofreciendo con este

sistema de unión por una hermeticidad total, formándose un tramo continuo

monolítico, y más resistente que la misma tubería. Esto es debido a que se

fortalece su orientación molecular al llevarse a cabo este proceso.

41

La termofusión consiste en calentar ambos extremos de la tubería a una

temperatura hasta alcanzar el grado de fusión necesario para que después, con

una presión controlada entre ambos extremos, se logre una unión monolítica más

resistente que la tubería misma y 100% hermética. No existen productos químicos

cementantes que puedan unir la tubería o conexiones EXTRU PAK.

Termofusión de Socket Para la unión de codos, tees, reducciones y coples tipo socket, el sistema EXTRA

PAK ofrece la termofusión socket, la cual permite una hermeticidad permanente

siguiendo el procedimiento.

1.- Bisele el extremo de la tubería, rebajando menos de la mitad del espesor de la

pared (esto no es necesario en tubería de 19 mm o menos).

2.- Determine el lugar de penetración del tubo en la conexión, utilizando un

medidor de profundidad y coloque el anillo sujetador a tope con el medidor.

Una vez fijo el anillo sujetador retire el medidor.

3.- Una con firmeza la conexión y la tubería al calentador y mantenga unidos

durante el tiempo recomendado.

4.- Separe la conexión del calentador con rapidez y a continuación separe el

calentador de la tubería.

5.- Introduzca suavemente el extremo de la tubería en la conexión, evitando girar

la tubería o conexión. Mantenga firmemente la conexión durante el tiempo

recomendado para asegurar la alineación correcta, No trabaje o pruebe la tubería

hasta que haya transcurrido el tiempo de enfriamiento prescrito.

6.- Limpie las caras del calentador cuidadosamente teniendo cuidado en no dañar

el recubrimiento de las caras; no deberán utilizarse objetos metálicos tales como

navajas, cepillos de alambre, etc. Utilice trapos o materiales suaves.

42

2.2 Equipos de bombeo Una máquina es un equipo transformador de energía, esto es, que aprovecha un

tipo de energía y la aumenta o la transforma en otro tipo de energía. Por ejemplo,

un motor eléctrico aprovecha la energía eléctrica y la transforma en energía

mecánica.

Las máquinas hidráulicas son las que proporcionan energía al fluido (bombas) o

son las que aprovechan la energía cinemática y potencial del fluido para producir

energía mecánica y energía eléctrica (turbinas). En el proceso se considera que el

fluido es incompresible y que el peso específico del fluido es constante.

Una bomba es una turbomáquina que le proporciona energía al fluido, esto es,

aumenta la capacidad de ganar altura a la superficie libre del líquido o al gradiente

de energía total en cualquier parte de la conducción después de la bomba. Se

emplean para transportar toda clase de líquidos o productos. Entre los líquidos

considerados como ligeros están: agua, aceite de oliva, aceites térmicos, aceites

vegetales, acetonas, alcoholes, benzol, estireno, exano, gasolinas, diesel,

hidrocarburos aromáticos, keroseno, etc. y entre los productos considerados como

viscosos están: aceites industriales, aceites minerales, adhesivos, aditivos,

alquitranes, asfaltos, barnices, cosméticos, dentríficos, detergentes, grasas,

jabones, melazas, parafinas, pastas de refinerías, pinturas, plásticos, resinas,

silicatos, y los líquidos alimenticios tales como cremas, chocolates, glucosa,

jarabes, jugos, mantequillas, mayonesas, mermeladas, mieles, pastas, tomate,

etc.

Según Saldarriaga (1998), la presencia de bombas en sistemas de tuberías afecta

las líneas de energía y de gradiente hidráulico del flujo, ya que las bombas son

máquinas hidráulicas cuyo objetivo es convertir energía mecánica de rotación en

energía cinética o potencial del flujo dentro del sistema. El efecto de dicha

conversión es añadir energía por una unidad de peso al flujo. El aumento de

43

energía se refleja en la altura manométrica en cada punto, afectándose así la

forma y pendiente de las líneas mecánicas.

Al mostrar una bomba para el levantamiento del agua, hay un cambio de energía

y gradiente hidráulico, dando así la presión necesaria para la conducción del fluido

y levantamiento, desde su abastecimiento (manantial) que da la succión hasta la

desembocadura a través de tuberías de PVC hidráulico flexible o polietileno de

alta densidad.

Saldarriaga (1998), dice que de acuerdo con la forma de sus rotores (impulsores),

las bombas rotodinámicas se clasifican en:

Bombas centrífugas (flujo radial)

Bombas de flujo axial

Bombas de flujo mixto

Para la misma potencia de entrada y para igual eficiencia, las bombas centrífugas

se caracterizan por presentar una presión relativamente alta con un caudal bajo,

las bombas de flujo axial generan un caudal alto con una baja presión y las de flujo

mixto tienen características que las ubican en un rango intermedio con respecto a

los anteriores.

La principal clasificación de las bombas es:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

⎪⎩

⎪⎨

⎧

−−−

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

−

MIXTOFLUJOimpulsorAXIALFLUJO

centrifugaRADIALFLUJOCINETICAS

diafragmainmersionpiston

TESRECIPROCAN

alabelobulotornillopaletaengranes

ROTATORIAS

POSITIVOENTODESPLAZAMI

NASTURBOMAQUI

)()(

/

44

Bombas de desplazamiento positivo o máquinas volumétricas ceden o

aprovechan la energía del fluido en forma de presión, entregan una cantidad fija

de fluido en cada revolución del rotor de la bomba, por lo que se usan en líquidos

de alta viscosidad. A este grupo pertenecen las máquinas que se usan en las

transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos. Estas bombas están

clasificadas en rotatorias y reciprocantes.

Bombas rotatorias. Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de

desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas,

postines, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En

lugar de aventar el líquido como una bomba centrifuga, una bomba rotatoria lo

atrapa, lo empuja contra la caja fija en forma muy similar a como lo hace el pistón,

la bomba reciprocante. A diferencia de una bomba de pistón la bomba rotatoria

descarga un flujo continuo.

Bombas reciprocantes. Las bombas reciprocantes son unidades de

desplazamiento positivo, descargan una cantidad definida de líquido durante el

movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera.

2.2.1 Bombas Centrifugas Las bombas centrífugas son máquinas hidráulicas que, dependiendo de la

posición de la bomba con respecto a la superficie libre del agua del depósito,

succionan el agua dentro de sus propulsores, por lo que deben ser instaladas

abajo de la Salida Libre de Agua (SLA) o a unos cuantos metros por encima. Se

fabrican en dos tipos: horizontal y vertical. La bomba tipo vertical tiene ventaja

sobre la horizontal porque se puede variar la columna de succión, la cual, para las

condiciones regionales, no debe ser mayor de seis metros, pero la bomba

centrífuga horizontal es la más comúnmente usada, por ser menos costosa, más

45

fácil de usar e instalar y más accesible para su inspección y mantenimiento, sin

embargo requiere mayor espacio de instalación que la otra.

La bomba centrífuga vertical puede funcionar en cualquier condición de trabajo,

inclusive sumergida, pero puede tener un costo elevado por mantenimiento. La

aplicación mas generalizada de las bombas centrífugas es en edificios tales como

escuelas, hospitales, hoteles, industria y en centros comerciales, recreativos y

deportivos, en los cuales se necesita un gasto constante, seguro y silencioso

Por la dirección del flujo a la entrada de la línea de succión, este puede ser de flujo

radial, axial y mixto; y pueden ser bomba horizontal, vertical o inclinada. De

acuerdo a la presión desarrollada se tienen de baja presión menor de 1 kg/cm2,

media entre 1 y 3 kg/cm2 y alta presión mayor de 30 mca (metros de columna de

agua). De acuerdo al número de rodetes, pasos o impulsores, pueden trabajar con

uno a más paso. Una bomba de un solo paso solamente tiene un impulsor. Una

bamba de pasos múltiples o varios pasos posee dos o más impulsores arreglados

en forma tal que la descarga de un impulsor entra al ojo del siguiente impulsor.

Las bombas tipo turbina de pozo profundo tienen varios impulsores alineados

sobre la flecha vertical que cuelga del motor en la superficie.

Las características principales de las bombas centrífugas son:

1. Armonía en todo el sistema con flujo uniforme suave para la bomba, motor y

tuberías.

2. Son adaptables a las variaciones de la velocidad.

3. La capacidad y la carga dependen de las revoluciones por minuto y del

diámetro y anchura del propulsor.

4. La fuerza (h.p) es función de la capacidad de la carga y de la eficiencia de la

unidad.

5. Si la velocidad se mantiene constante, el gasto disminuye al aumentar la

altura de bombeo y se reduce la fuerza.

46

6. Al cambiar la velocidad de la bomba el gasto cambiará en razón directa a la

variación de la velocidad. Al mismo tiempo, la carga variará con el cuadrado

de la velocidad y la potencia como el cubo del cambio de la velocidad.

2.2.1.1 Altura de bombeo La columna o altura de bombeo necesaria en un sistema no se altera por la clase

o tipo de unidad elegida, pues la altura de bombeo y el gasto son las principales

variables que deciden la selección de la bomba. Es la altura a vencer del agua

desde su punto de inicio hasta el lugar de culminación del sistema.

∑+++= hpg

VDLf

gV

ZhB ss 22

22

Ec. 18

donde:

hB = altura de bombeo, en m

Z1 = altura del sistema, en m

L = longitud del tramo, en m

f = Factor de fricción, adimensional

D = Diámetro interior del tubo, en m

V = Velocidad media del fluido en el tramo, en m/s.

2.2.1.2 Eficiencia en bombas El diseño y las características de las bombas dependen mucho de la casa

fabricante, las cuales dan a conocer sus productos por medio de folletos o

boletines informativos para que los distribuidores y compradores tengan una idea

del producto que se les presenta, donde se observa gráficamente las formas de

presentación. A estas gráficas se les conoce como curvas características.

Según McNaugthon (1992), dice que la eficiencia de la bomba tiene un lugar

prominente entre los factores que se deben considerar. En un esfuerzo por reducir

el costo inicial, a menudo se seleccionan bombas que no representan el diseño

47

más eficiente para un servicio dado. Se debe dejar la elección de la eficiencia al

fabricante de la bomba, solo el usuario debe darle alguna orientación respecto a

los costos de energía y métodos para recuperación de la inversión.

Los fabricantes proporcionan la eficiencia de las bombas dependiendo del estado

de la misma, generalmente una bomba presenta del 70 al 100 % de eficiencia

cuando son nuevas, recomiendan una eficiencia del 76 % para cálculos de

bombas.

La mejor selección de una bomba es la que trabaje con la eficiencia máxima, en

el mercado se encuentran tipos estándar que abarcan ciertas variaciones de gasto

y altura de bombeo y siempre existe la posibilidad de escoger una unidad que se

adapte a las condiciones de trabajo solicitadas y tener una eficiencia muy próxima

de la óptima.

El rendimiento o comportamiento de la bomba se presenta en forma de curvas, en

que la curva carga contra capacidad se traza a una velocidad fija. La curva

también indica el caballaje al freno requerido con diversos flujos y la eficiencia

correspondiente de la bomba. La capacidad a la cual la bomba trabaja con más

eficiencia se llama punto de máxima eficiencia.

2.2.1.3 Curvas características Las curvas de caballaje al frente de la bomba son el producto del flujo, carga

diferencial y eficiencia. El punto más alto en la curva de caballaje al freno que se

podría esperar con un análisis de la curva carga-capacidad y de los requisitos del

sistema, indicará el caballaje que se deber especificar para la propulsión de la

bomba.

Una de las mejores formas de evaluar el rendimiento esperado de una bomba

centrífuga es superponer una curva de carga, presión y capacidad para el

48

proceso en la curva característica de la bomba. Como la bomba funcionará en un

punto que corresponde a intersección de las dos curvas, hay que alterar la carga

del sistema, como se hace con una válvula de control.

La curva característica de una bomba es la representación gráfica del gasto

descargado contra la carga dinámica total, que se obtiene para una bomba

haciendo variar las revoluciones por minuto de la bomba.

nQHBHP3960

γ=

Ec. 19

Una bomba centrífuga transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en

la energía cinética y potencial requerida. Aunque la fuerza centrífuga producida

depende tanto de la velocidad en los alabes o periferias del impulsor y de la

densidad del líquido, la cantidad de energía que se aplica por libra de líquido es

independiente de la densidad del líquido.

Las unidades de la potencia, en el sistema MKS son kgf.m/s. La forma más común

de expresarla es en Horsepower (HP) o en caballos de vapor (CV), donde un

CV = 75 kgfm/s = 736 W = 0.9863 HP, y un HP = 76.04 kgfm/s. Si la potencia se

expresa en HP la ecuación será:

76ηγ BQhPot = en HP o Pot

QhB=γη75

en CV Ec. 20

Bombas Sumergibles Una bomba sumergible es aquella en la cual la bomba y el motor se colocan por

debajo de la superficie libre del agua, la entrega de agua se hace por medio del

tubo de descarga (Linsley y Franzini 1984).

El diseño de un sistema de bombeo merece la atención especial de la condición

de la columna y la selección adecuada de la bomba, lo cual repercute en ahorros

49

considerables en potencia por un período largo sin aumentar grandemente el

costo inicial del proyecto, todo esto a la par de la mejor selección del material y los

diámetros de las tuberías.

2.2.1.4 Selección de equipo de bombeo La mejor selección del modelo y marca de la bomba será el que pueda trabajar

con la máxima eficiencia para la altura de bombeo y la capacidad deseada. Esto

es poco posible porque para cada modelo de bomba hay solo un gasto (Q) y una

altura de bombeo (hB) en la que se obtiene la máxima eficiencia, por lo tanto la

selección del modelo se hará para el que este mas próximo a las condiciones

deseadas de eficiencia, dentro de la gran variedad de capacidades y carga que

proporcione los fabricantes, por medio de las curvas características para cada

modelo.

Los datos para la selección del modelo de una bomba centrífuga son:

• Fuente de suministro de agua

• Altura estática de succión

• Longitud de tubo de succión

• Accesorios: Codos, Coples, Válvulas, etc.

• Longitud equivalente por accesorios.

• Altura de la columna de descarga estática

• Gasto requerido

• Lugar de localización de la bomba: Móvil, Fijo.

• Tipo de motor de arranque: Eléctrico, Gasolina, Voltaje, Solar, etc.

• Fases: Ciclos

• Bomba centrifuga Potencia : HP

• Diámetro de succión

• Material de la tubería

• Tubería de descarga

• Tipo de motor

50

• Diámetro de descarga

• Diámetro interior

2.2.2 Bombas en Serie Cuando se tienen demandas de grandes volúmenes o importantes alturas de

presión y no se desea instalar grandes equipos o que una sola bomba no lo

lograría, se ponen dos o más bombas por la misma línea, aportando cada una de

ellas una determinada altura de bombeo, que la suma de estas satisfacen las

necesidades totales de presión de bombeo, a este esquema de colocación de las

bombas se le conoce como bombas en serie. La eficiencia total del sistema está

dada por la ecuación:

∑∑=

76xPotQhBγ

η Ec. 21

Para las bombas en serie se parte del conocimiento de la curva característica de

cada una, de la cuál se obtiene la ecuación de altura de bombeo contra gasto, que

tiene forma del tipo: 2CQBQAhB ++= Ec. 22

Para cualquier diagrama de demanda del sistema necesario para resolver el

problema se desarrolla la ecuación que representa la curva de demanda del

sistema, del tipo:

hshfZZh esB ++−= )( Ec. 23

si se maneja la ecuación de Darcy – Weisbach para el cálculo de las pérdidas por

fricción

∑++−= 42

28)()(gDQk

DLfZZh esB π

Ec. 24

51

2.2.3 Planta de bombeo La planta de bombeo es el conjunto de obras que permiten el aprovechamiento de

fuentes de agua. Tiene como función principal proporcionar energía necesaria al

agua para extraerla de la fuente de abastecimiento; elevarla a la zona de uso; y

operar el sistema de riego.

Las fuentes de abastecimiento de agua para la zona son los aprovechamientos

superficiales y los subterráneos.

Las partes de una planta de bombeo para aprovechamiento superficial son:

Lámina 1-71

Obra de toma

Cárcamo

Equipo de bombeo

Succión

Descarga

Subestación eléctrica

Protección de las instalaciones

52

CASTA SUBETACION ELECTRICA

EQUIPO DE BOMBEO

CARCAMO OBRA DE TOMA

Fuente: Manual para diseño de Zonas de riego pequeñas (1998)

2.2.3.1 Obra de toma Esta obra permite tomar agua para conducir hasta el cárcamo, las partes de la

obra de toma son: el acceso, la estructura de entrada, las rejillas, el mecanismo de

control y el conducto.

La distancia a la zona de riego o a la descarga debe ser lo mínima posible

Lo mas recto posible y alejado de curvas.

Pendiente suave y lo mas uniforme posible, evitando lugares cercanos a

caídas y rápidas.

En casi de canales de tierra, el tramo debe ser lo suficientemente resistente

para desplantar la obra, evitando cauces inestables.

Un tramo en el que no resulte grandes volúmenes de excavación.

53

2.2.3.2 Cárcamo de bombeo. El cárcamo de bombeo es un depósito enterrado, en general de concreto, donde

se instala el equipo de bombeo para extraer el agua que viene del abastecimiento

superficial. Las partes básicas del cárcamo son; el foso, el colector de basura, el

fondo, las escaleras y la plataforma.

Las características del cárcamo son: forma rectangular, para que el agua siga una

dirección recta; el fondo puede ser de dos niveles, para evitar los perjuicios que se

pueden causar al azolve al equipo de bombeo; no se debe instalar paredes que

obstruya la dirección del flujo y provoquen la formación de remolinos; y las

bombas se deben instalar invariablemente cerca de la pared trasera.

El diseño se hace con base en el equipo de bombeo, por que este se debe elegir

previamente; de este diseño depende la formación del vórtices en la superficie del

agua. Los vórtices provocan, entre otras cosas, la entrada de aire en la tubería de

succión; vibración y desgaste de las partes móviles; y, además, que la bomba

pierda el cebado reduciendo su carga, gasto y eficiencia en el caso de una bomba

centrifuga.

Los parámetros para diseñar el cárcamo rectangular, según la Asociación

Británica de Investigación Hidromecánica (BHRA), son: profundidad (H), ancho

(S), distancia del piso a la campana de succión (C), longitud (L) y distancia de la

pared trasera al labio de la campana (X).(Héctor López 1998)

Los parámetros para diseñar un cárcamo rectangular, según el Instituto de

Hidráulica de EU Lámina 1-74 son: Profundidad (H), distancia del piso a la

campana (C), longitud (L), área (A), ancho (S), distancia de la campana a la rejilla

(Y) y distancia de la pared trasera a la línea centro de la campana (B). Lámina 1-75

54

CARCAMO MULTIPLE

S

S/2

X PLANTILLA

PARA UNA BOMBA

VARIAS BOMBA

B Y

Y B A

H

C

10° -15°

REJILLA

FLUJO EN CANAL

Vc

S


55

20000

6000

4000

2000

1000

800

600

400

200

10000

8000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 20.

DIMENSION PARAMETROS (METROS)

LI

TRO

S / S

EGU

ND

O)

(G

AST

O


56

2.2.3.3 Equipo de bombeo El equipo de bombeo debe proporcionar la energía necesaria para mover el agua

de un punto a otro. Sus partes son el motor y la bomba.

2.2.3.4 Sistema de succión. El sistema de succión comprende los elementos necesarios para que la bomba

extraiga agua del cárcamo o del pozo profundo. Este sistema esta integrado por

tubería y los accesorios. En el diseño se debe considerar, además, la entrada de

aire y la sumergencia.

o Tubería de succión. En una bomba centrífuga la tubería de succión debe ser lo

mas recta y corta posible. Para reducir las pérdidas de carga por fricción en la

succión; minimizar el riesgo de capitación; y que la bomba pierda el cebado

o Accesorios. En las bombas centrífugas que extrae el agua de un nivel inferior a

su línea centro, los accesorios son: la entrada en forma de campana, la válvula

de pie y el colador, el codo con radio grade que genere menos fricción, el

manómetro de vacío, la silleta para soportar la tubería y la reducción excéntrica

con el lado corto. o Entrada de aire. Las burbujas de aire disminuyen la capacidad, eficiencia y

cebado de la bomba. Las turbulencias se generan cuando el conducto de

abastecimiento descarga por arriba del nivel de agua en el cárcamo, por lo

que, debe descargar ahogado. o Sumergencia. La distancia desde la entrada de la campana de succión hasta el

nivel del agua. La sumergencia mínima para evitar la formación de vértices

debe ser al menos cuatro veces el diámetro de la tubería de succión.

57


2.2.3.5 Sistema de descarga Estos sistemas comprenden los elementos necesarios para conducir el agua

desde la bomba hasta la red de conducción de la zona. Las partes de la descarga

son la tubería, el tanque, los accesorios y los controles.

o Tubería de descarga. Es común conectar cada tubería de descarga a una de

mayor diámetro. Si la bomba descarga a una tubería de gran longitud su

diámetro puede ser mayor que la descarga de la bomba, para disminuir las

pérdidas por fricción. Los materiales mas usados para las tuberías son el

acero, el fierro y el PVC. La selección del material y el espesor de la tubería

dependen de los esfuerzos generados durante la operación y por el fenómeno

58

transitorio del golpe de ariete, causado por la circulación inversa del líquido,

que se presenta al abrir o cerrar una válvula y durante el paro o arranque de

las bombas. En tuberías cortas el efecto del golpe de ariete no es considerable.

o Accesorios. Todas las tuberías de descarga deben disponer de ciertos

accesorios: medidores, juntas flexibles, silletas, atraques, válvulas eliminadoras

de aire, válvulas de retención (check), válvulas de compuesta, válvulas de

mariposa y válvulas de alivio contra golpe de ariete. Lámina 1-83


2.2.3.6 Protección de las instalaciones. Los elementos de la planta de bombeo se deben proteger de la lluvia, animales o

personas ociosas, eso se logra con cercas de alambre o bardas.

59

2.3 Aforos de corrientes superficiales. Según Aparicio (2001), aforar una corriente significa determinar a través de

mediciones del gasto que pasa por una sección dada.

Secciones de control. Existe una relación única entre el tirante y el gasto. Los

tipos de secciones que se utilizan son, los que producen un tirante crítico y los

vertedores.

Los flujos pueden medirse ya sea con medidores fijos, que aportan los resultados

más confiables sea durante o después de la auditoria, o registradores temporales,

normalmente ubicados en un sitio específico durante un corto periodo de tiempo.

Si no se instalan correctamente, los medidores temporales, pueden arrojar

resultados erróneos.

Los medidores permanentes aportan datos precisos diarios, semanales,

mensuales, estacionales, y de eventos poco usuales, durante la auditoria de agua,

y seguirán aportando resultados y tendencias a largo plazo.

Un elemento esencial en cualquier auditoria de agua es la medición del flujo en su

conexión principal. En ocasiones, adicionalmente, es necesario medir los flujos

que llegan a distintas subáreas, cuando es importante evaluar los flujos que llegan

a ellas. (IMTA 2002).

2.3.1 Vertedores Según López (1985), un vertedero consiste de una barrera vertical delgada con

una cresta afilada que se pone en un arroyo, canal, o en un tubo parcialmente

lleno. Para determinar el flujo, es necesario medir la carga hidráulica del agua

arriba de la cresta del vertedero. Para medidas precisas del flujo, la cresta debe

de estar limpia, afilada, y nivelada. El borde de la cresta no debe de ser más

grueso que 1/8 de pulgada. El flujo sobre el vertedero es directamente

60

proporcional a la altura del agua (tirante) sobre la cresta a un punto aguas arriba

del vertedero donde la superficie de la agua está a nivel. Para calcular la

descarga sobre un vertedero, el tirante debe de ser medido por medio de un

dispositivo colocado aguas arriba del vertedero, a una distancia de por lo menos 4

veces la medida aproximada del tirante.”

El método de aforo servirá para determinar la cantidad de agua que el manantial

brinda para diseñar la obra hidráulica de la mejor manera que satisfaga las

necesidades en cantidad sin sobre explotar el acuífero y sin dañar el ecosistema

aguas abajo.

Los vertedores de pared delgada recomendables para realizar aforos son el

triangular con ángulo de 90º para gastos pequeños (de 0 a 100 lps) y el

rectangular para gastos mayores (de 100 a 1000 lps).

Vertedor triangular 48.248.1 HQ = Ec. 25

Vertedor rectangular 2/39.1 HQ = Ec. 26

2.3.2 Estimaciones volumétricas de campo El IMTA informa que cuando el flujo es constante y libre, como en algunas aguas

de enfriamiento, puede emplearse una cubeta y un cronómetro para estimar el

caudal, la forma de determinar el caudal es la siguiente:

Se toma el tiempo transcurrido para llenar la cubeta, de volumen conocido, y con

ello se calcula el caudal, como el resultado de dividir el volumen de la cubeta entre

el tiempo que toma llenarla.

2.3.3 Relación sección – pendiente. Según Aparicio (2001), este método se utiliza para estimar el gasto máximo que

se presento durante una avenida reciente en un río donde no se cuenta con

ningún otro tipo de aforos. Para su aplicación se requiere solamente contar con

61

topografía de un tramo del cauce y las marcas del nivel máximo del agua durante

el paso de la avenida. Según la formula de Manning ecuación 12.

2.3.4 Otros métodos. Existen otros métodos con los que es posible realizar aforos. Uno de ellos es el de

trazadores, que consiste en soltar una cantidad conocida de partículas

fluorescentes, radiactivas, etc., en una sección situada a una cierta distancia

aguas arriba de la sección de aforo para medir el tiempo que tardan en llegar a la

última. Esto se puede hacer visualmente, con contadores de radiactividad o con

algún otro procedimiento, dependiendo del tipo de partículas usadas. Este y otros

métodos aun se encuentran en etapa de experimentación y su uso todavía esta

limitado en la práctica.

2.4 Combustibles en equipos de bombeos. En la actualidad se pueden utilizar diferentes combustibles para equipos de

bombeos los cuales se pueden ser de gasolina, eléctricos, etc.

2.4.1 Motores a gasolina A principios del siglo, la obtención de gasolina de calidad era cuestión de suerte.

La naturaleza proporcionaba los ingredientes, casi siempre parafinas

(hidrocarburos lineales y cíclicos), pero diluidos con otros componentes contenidos

en el petróleo crudo.

En la actualidad la gasolina es un producto hecho por el hombre, o sea que es

sintética. Las principales razones son:

Los crudos tienen un máximo de 25-30% de gasolina natural con índices de

octano de 40 a 60, los cuales son demasiado bajos para usarse en los motores

62

modernos de combustión interna. Esto se debe a la estructura molecular de los

hidrocarburos que la constituyen.

La cantidad de gasolina primaria o natural contenida en los crudos es

insuficiente para satisfacer la gran demanda provocada por los cientos de

millones de vehículos que circulan diariamente por las carreteras y calles del

mundo entero. (www.omega.ilce.edu.mx)

En los últimos diez años el desarrollo de los motores de gasolina ha sido

sorprendente al grado de aumentar su número en el mercado. Por su parte los

motores de gasolina no han tenido un gran cambio. Así, se espera una revolución

cuando penetre con fuerza la inyección directa de gasolina. Además de que

existen buenas mecánicas de gasolina en cuanto a rendimiento, fiabilidad,

mantenimiento sencillo y un equilibrio en prestaciones y consumo.

Ahora con las nuevas técnicas en cuanto a materiales más ligeros y aplicaciones

de sistemas de admisión o distribución variable hasta en motores pequeños, se ha

podido olvidar el letargo en donde se encontraban los motores de gasolina en

cuanto a rendimiento con motivo de los primeros ajustes anticontaminantes

después de la imposición del catalizador. (www.terra.com.mx)

2.4.2 Motores eléctricos El motor eléctrico es un dispositivo simple en principio, convierte energía eléctrica

en energía mecánica, han cambiado substancialmente en diseño, no obstante los

principios básicos de operación han seguido siendo iguales.

Un motor de Combustión eléctrica tiene dos partes eléctricas básicas: un "estator"

y un "rotor". El estator está en el componente eléctrico estático. Consiste en un

grupo de electroimanes individuales dispuestos de una manera tal que formen un

cilindro hueco, con un polo de cada cara de los imanes hacia el centro del grupo.

El término, "estator" se deriva de la palabra estática. El rotor es el componente

63

eléctrico rotativo, el cual consiste en un grupo de electroimanes dispuestos

alrededor de un cilindro, con los polos haciendo frente hacia los polos del estator.

El rotor, está situado obviamente dentro del estator y montado en el eje del motor.

El término "rotor" se deriva de la palabra rotar. El objetivo de estos componentes

del motor es hacer que el rotor gire sobre el eje del motor. Esta rotación ocurrirá

debido al fenómeno magnético previamente discutido que los polos opuestos se

atraen y polos iguales se rechazan. Si cambiamos progresivamente la polaridad

de los polos del estator de una manera tal que su campo magnético combinado

rote, entonces el rotor seguirá girando con el campo magnético del estator.

(www.conae.gob.mx)

2.4.2.1 Consumo de energía eléctrica. La potencia de las bombas están basadas en la energía que necesitan para

funcionar, donde se sabe que producen (HP) horsepower, en donde un HP

equivale a 0.74556 KW (kilowatts) y al traducir la capacidad de la bomba se tiene

la cantidad de energía necesaria para funcionar y poder seleccionar la cantidad de

celdas solares para producir energía y obtener el traslado del vital líquido.

2.4.2.2 Celdas solares Las celdas solares son fabricadas a base de materiales que convierten

directamente la luz solar en electricidad. Hoy en día, la mayor parte de celdas

solares utilizadas a nivel comercial son de silicio.

Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o

amorfas. La diferencia entre ellas radica en la forma como los átomos de silicio

están dispuestos, es decir, en la estructura cristalina. Las celdas solares de silicio

monocristalino y policristalino tienen casi el mismo y más alto nivel de eficiencia

con respecto a las de silicio amorfo.

64

Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de

contacto posterior y, luego, dos capas de silicio. En la parte superior se

encuentran los contactos de metal frontales con una capa de antireflexión, que da

a la celda solar su típico color azul.

Figura 7. Fotografía de una panel solar.

Panel Solar. Los paneles solares están compuestos por celdas solares. Dado que una sola

celda solar no produce energía suficiente para la mayor parte de aplicaciones, se

les agrupa en paneles solares, de modo que, en conjunto, generan una mayor

cantidad de electricidad.

Los paneles solares (también denominados módulos fotovoltaicos o FV) son

fabricados en diversas formas y tamaños. Los más comunes son los de 50 Wp

(Watt pico), que producen un máximo de 50 Watts de electricidad solar bajo

condiciones de luz solar plena, y que están compuestos por celdas solares de

silicio. Dichos paneles miden 0,5 m2 aproximadamente.

65

Figura 8. Colocación de celdas solares para su utilización

La eficiencia de los paneles solares disponibles en el mercado fluctúa entre 5-

15%. Esto significa que 5-15% de la energía de toda la luz solar que llega a la

celda será, en efecto, transformada en electricidad. (http://www.mysolar.com).

El panel solar GF 50 es del tipo de silicona amorfa, film-fino.

Los paneles solares deben ser montados en una estructura, inclinados al ángulo

que asegure la óptima utilización de energía solar. Los paneles solares están

equipados con cierres y enchufes para sencillas conexiones a varios módulos.

Instalación:

Temperatura ambiente min.: -40 °C

Temperatura ambiente max.: 85 °C

Datos eléctricos:

Potencia de entrada velocidad 1-2-3:

Frecuencia red: 50 Hz

Corriente en velocidad 1-2-3:

Corriente de arranque en velocidad 1-2-3:

Máximo punto de voltage: 152 V

Voltage de circuito abierto: 200 V

Punto de corriente: 0.33 A

Módulo de corriente de corto circuito: 0.42 A

Máxima potencia de salida: 50 W

Módulo solar tipo: Silicona amorfa

66

Otros:

Marca: Grundfos

Peso neto: 15 kg

Volumen: 0.11 m³

Figura 9. Fotografía de una celda solar

67

Figura 10. Corte Dimensiones de una celda solar.

Figura 11. Corte trasversal de una celda solar.

68

Baterías En los llamados sistemas solares autónomos o sistemas fotovoltaicos domiciliarios

(SFD), las baterías almacenan electricidad que será utilizada durante la noche

para iluminación o para ver televisión. Asimismo, suministran electricidad durante

periodos de escasez o ausencia de luz solar, necesaria para que el panel solar

produzca energía. La duración del periodo que puede ser cubierto está

determinada por la demanda de electricidad y el tamaño de la batería de

almacenamiento. La demanda de electricidad y el tamaño de la batería de

almacenamiento determinan la duración del periodo de escasez de luz solar que

podrá ser cubierto, al que se denomina "periodo de autonomía": tiempo máximo

durante el cual las necesidades básicas de electricidad pueden ser cubiertas,

cuando no se cuenta con suministro de corriente producida por el panel solar.

Figura 12. Baterías necesarias para el almacenamiento de la energía eléctrica.

2.5 Aguas subterráneas Según López (1985), cuando haya de ser utilizado agua de manantial, éste deberá

protegerse de los escurrimientos, del polvo, basura, animales, etc. El venero debe

ser perfectamente protegido por una cámara formada por un muro y estructura de

cubierta. El muro debe desplantarse sobre el material resistente y de ser posible

impermeable, pero cuidando de no tocar los veneros para no provocar su

69

desaparición o cambio de comportamiento hidráulico. La losa o cubierta debe

protegerlo del contacto directo con el exterior. El vertedor debe estar a la altura de

la superficie libre del agua para no provocar sobrecarga en el manantial, y debe ir

protegido con rejillas para evitar la entrada de personas o animales. Adosando a

este muro o a distancia debe ir una caja o registro con la toma propiamente dicha

y en la que se pondrá una válvula para controlar la entada o bloqueo del agua en

la conducción. En la cubierta de la cámara, se hará un registro para dar acceso a

una escalera marina que servirá para hacer la inspección de su interior. Si el agua

debe ser bombeada, el equipo no debe montarse sobre la cubierta de la cámara,

sino sobre el registro adosado que servirá de cárcamo.

La construcción de una fuente de almacenamiento de agua al momento de la

salida del manantial, sirve para almacenarla antes de su bombeo, lo cual da pie a

una mejor presión y una toma más sencilla para su utilización. Además se tiene un

mejor control del líquido al tenerlo almacenado y para su tratamiento y control.

2.5.1 Manantiales.

Cantidad de agua que se encuentra brotando de la superficie, proveniente de

corrientes subterráneas que se encuentran con obstáculos que impiden su

continuo flujo a través del suelo, el agua contienes grandes cantidades de sales

minerales y tiene la característica de ser filtrada a través del subsuelo eliminando

cantidad de substancias que perjudiquen la calidad del agua.

2.6 Demanda de agua. La cantidad de agua que el ganado necesita para sobrevivir es de 50 litros por

día, por lo tanto hay 150 cabezas de ganado dando 7500 litros por día para

abastecer la cantidad de cabezas y poder dar de beber. Por otro lado existe una

vivienda habitada por 4 personas las cuales demandan 75 litros por día tanto

70

para beber como para uso personal dando una cantidad de agua diaria de 300

litros. (Manual de laboraorio1997)

2.7 Software aplicado a redes hidráulicas. El programa AH (Análisis Hidráulico) está diseñado para calcular y diseñar redes

hidráulicas de manera que permite calcular por secciones o tramos las tuberías

que componen un sistema de distribución de un fluido, conociendo los diámetros

de tuberías, longitudes, rugosidades, sistema de bombeo, tinaco, etc.

Se utiliza el programa Análisis Hidráulico en el cual introducimos los datos

necesarios, como son el número de nudos y de tramos que necesitamos para el

programa, la fórmula con la cual vamos a trabajar, (Darcy, Manning, Hazen) las

dimensiones de los tramos, el tipo de tubería que vamos a utilizar y los diámetros

de las tuberías. Se llevarán a cabo varias interacciones con los resultados de la

corrida del programa debido a que se deben de analizar las presiones y las

pérdidas que obtendremos, y tendremos que analizar que las velocidades oscila

entre 0.3 y 5 m/s y las pérdidas no deben de ser mayores de 0.005 por longitud de

tramo.

Según Saldarriaga, existen otros programas utilizados para el diseño de redes de

abastecimiento de agua son KYPIPE3, CYBERNET, WATERCAD, EPANET, etc.

El programa KYPIPE3 esta diseñado para hacer tanto cálculos estáticos, en los

que se supone que las condiciones de consumo de caudal y niveles en los

tanques permanecen constantes en el tiempo, como para periodos de tiempo

extendidos de sistemas de redes hidráulicas. Se puede utilizar para resolver

problemas de calibración, diseño y operación.

El análisis de la red se hace mediante el método de la teoría lineal. KYPIPE3

realiza los cálculos hidráulicos utilizando las ecuaciones de Hazen-Williams, para

71

el cálculo de las pérdidas de cabeza por fricción, aunque posible incorporar la

metodología de Darcy-Weisbach junto con las ecuaciones de Colebrook-White.

CYBERNET, es un módulo adicional para AutoCAD, el programa de diseño

asistido por computadora más popular y completo que existe en el mercado. Una

de las ventajas más importantes de este programa es el hecho de conservar todas

las capacidades de dibujo y representación tanto bidimensionales como

tridimensionales, de visualización y de modificación como en AutoCAD. El usuario

emplea este ambiente a fin de generar la red de distribución de agua potable,

incluyendo la topografía del terreno, la topografía de la red y los puntos de entrada

y salida de caudales.

Permite realizar sencillos análisis del comportamiento de las presiones y los

caudales a lo largo de la red.

WATERCAD, es un programa poderoso y fácil de usar que permite hacer tanto el

análisis como el diseño de redes de distribución de agua potable. El programa

permite modelar varios de los componentes hidráulicos típicos de redes de

distribución, tales como válvulas regadoras, estaciones de bombeo y controles

automatizados sensibles a la presión o al caudal.

Es posible calcular las pérdidas por fricción mediante las dos principales

metodologías hidráulica de tuberías: La de Hazen-Williams y la de Darcy-

Weishach, junto con la ecuación de Colebrook.White. Sin embargo WATERCAD

también permite utilizar la ecuación de Manning.

72

III.- METODOLOGIA

La información requerida en el presente proyecto va a ser adquirida mediante

levantamiento de datos en el rancho El Carrizal. El cual se lleva a cabo con equipo

proporcionado por el Instituto Tecnológico de Sonora (ITSON) y equipo adicional

de cuenta propia. Los estudios se llevaron a cabo acudiendo al lugar donde se

realiza la obra para la obtención de los datos.

3.1 Estudios de Topografía Se hace un levantamiento topográfico del lugar en donde se obtienen los niveles

de los puntos por donde pasará el sistema hidráulico o tubería para la

transportación de agua, obteniendo las cotas del punto del manantial y del lugar o

destino a donde se llegará con el agua que son los puntos mas altos y bajos

respectivamente. Los instrumentos necesarios para realizar dicho levantamiento

son un GPS, nivel, tripíe, estadales y cinta, así como dos ayudantes para el trazo.

73

Se plantean dos líneas, en donde se obtiene el levantamiento de un perfil

topográfico, en donde se selecciona la mas favorable para el diseño hidráulico,

una por el camino que existía desde la vivienda del rancho El Carrizal hasta el

manantial, y la otra por el represo del rancho, saliendo de la vivienda, pasando por

el represo y entroncándose con el camino que lleva al manantial.

Se coloca el GPS en el lugar de partida, casa del rancho El Carrizal, para obtener

la altura sobre el nivel del mar y las coordenadas del lugar, y así sucesivamente

por la línea hasta llegar al manantial obteniendo la altura sobre el nivel del mar de

diferentes puntos a lo largo de la línea por donde pasara la tubería para

transportar agua.

Con la altura obtenida del GPS, se coloca un banco de nivel en la casa del rancho

El Carrizal, el cual se toma como referencia para trasladar el nivel hasta el

manantial. Se coloca el nivel y se sacan las alturas de diferentes puntos a través

del terreno por donde pasa la línea hidráulica. Se colocan los estadales en cada

punto para obtener la altura del terreno respecto al nivel, en donde se ve hacia

atrás y adelante para colocar puntos de liga y cambiar el aparato a un lugar mas

adelante, se pretende que sean cadenamientos de 20 metros de longitud pero

debido a las condiciones del lugar, los cadenamientos serán menores de 20

metros hasta donde se alcance a leer los estadales para cambiar de lugar.

Con los datos obtenidos del levantamiento topográfico, se realiza la memoria de

cálculo por medio de una hoja de Excel, en donde se obtienen las cotas definitivas

del trazo por donde pasa la línea hidráulica, a través de un programa de dibujo

(Auto CAD) se traza un perfil en el cual se puede ver con detalle los cambios de

terreno que se tiene en corte, y poder apreciar el punto mas elevado y el mas bajo

del lugar.

74

Figura 13. Levantamiento del punto inicia de la nivelación topográfica

Figura 14. Levantamiento topográfico a través del camino inexistente.

75

Figura 15. Levantamiento topográfico a través del represo.

3.2 Diseño hidráulico. Contando con toda la información anterior se comienza a analizar los datos, en

donde se pueden obtener los gastos que puede transmitir a través de la tubería y

las pérdidas. Se proponen los diámetros de las tuberías a utilizar para analizar el

sistema siempre y cuando cumplan con las especificaciones de las mismas, tanto

del gasto que por ellas se transmite, como para las presión que soportará.

Con los datos topográficos analizados anteriormente, se obtienen la longitud total

del proyecto, la altura de bombeo a vencer, por medio de la diferencia del punto

mas elevado del sistema y el mas bajo (manantial) que es la altura máxima a

donde se debe subir el agua, con estos datos se inician los cálculos para el diseño

hidráulico.

Se calcula la cantidad de agua (gasto) disponible que se abastecerá al rancho El

Carrizal, por medio de aforos del manantial, por medio del método de cubeta y

cronómetro, en donde se capta una cantidad de agua en un determinado tiempo,

76

se hacen varias medidas para obtener un promedio dando un gasto del manantial

el cual se trasforma a metros cúbicos por segundo.

Para iniciar el diseño hidráulico, se toma como apoyo el catalogo de proveedores

que distribuyen tubería, se obtienen los diámetros y medidas necesarias de los

tramos, con los que se inicia el diseño a través de la tubería como son diámetro

exterior e interior y rugosidad. Con estos datos se inicia el análisis de la tubería,

calculando el área hidráulica. La velocidad del conducto se obtiene despejando de

la fórmula 1 la velocidad. Se continua con el diseño de la línea hidráulica, se

obtiene el factor de fricción con la fórmula 10 de Darcy-Weisbach, siguiendo con la

fórmula de perdida de carga al pasar el fluido de una sección a otra con la fórmula

8, para finalmente obtener la altura de bombeo que se obtiene por la ecuación de

la energía evaluando desde el punto mas bajo al mas alto con la fórmula 5.

3.3 Selección del equipo de bombeo En el momento en que los resultados cumplan con las especificaciones antes

mencionadas para el diseño hidráulico, se prosigue con el diseño de una bomba

centrífuga sumergible la cual cumpla con vencer la altura de bombeo deseada

para subir el agua desde el manantial hasta la vivienda del rancho El Carrizal.

Para la selección de la bomba centrifuga sumergible, se utilizan las fórmulas

numero 21, de potencia, para la obtención de la cantidad de caballos de fuerza

necesarios y vencer la altura de bombeo necesaria, en donde dará en fracciones

no disponibles por los fabricantes, lo cual indica que se redondea a la fracción

próxima siguiente.

Con la potencia necesaria de la bomba que arrojan los cálculos, se buscan

proveedores de bombas centrifugas y se analizan las curvas características de

diferentes bombas para seleccionar la mas apropiada, observando la potencia de

la bomba y la altura de bombeo que tiene que vencer la bomba, así como el gasto

77

necesario, se tiene la mejor selección de la bomba cuidando la eficiencia de las

mismas y no forzando la maquina.

Cuando se tiene el diseño hidráulico de la tubería y el tipo de bomba, así como la

cantidad de agua que se abastecerá al rancho El Carrizal, se diseña las fuentes de

captación del agua, las cuales servirán como cárcamo de bombeo.

3.4 Fuente de suministro de combustible Al momento de la obtención de la bomba definitiva la cual se utilizará para el

diseño hidráulico, se selecciona el tipo de combustible que se utiliza para hacer

funcionar las bombas, en donde se seleccionan celdas solares y baterías como

fuente de energía eléctrica, la cual con la influencia del sol carga baterías y se

conecta a la bomba para poder abastecer de agua.

La cantidad de energía necesaria para la bomba se calcula mediante una

conversión de potencia de la bomba de caballos de fuerza a kilo watts, la cual

indica la cantidad de paneles o celdas solares necesarias para producir la energía

que se ocupa para mover las bombas así como el lugar de colocación y su

inclinación para obtener la máxima cantidad de energía.

EL proveedor proporciona las medidas necesarias del panel y las características

que se necesitan para el diseño hidráulico.

Cuando la energía eléctrica que proporcionan las celdas solares, o el clima no sea

el adecuado, se selecciona una bomba de gasolina como segunda alternativa que

cumpla con las características del diseño hidráulico y que venza la altura de

bombeo total, de tal manera que solamente se coloque una sola bomba para

vencer la altura total, esto es con la finalidad de tener agua todo el tiempo no

importando las características del clima.

78

3.5 Software aplicado El usuario define la geometría y las características de la red de distribución de

agua tales como:

a) Caudal demandado en cada nudo.

b) Cota de cada nudo.

c) Diámetro de la tubería (propuestas).

d) Longitud de la tubería.

e) Presión mínima requerida (12 mca)

f) Coordenadas (x y) de cada nudo. (esto se realiza tomando un punto de

referencia, donde todas las coordenadas queden positivas).

Con estos datos se entra al programa.

Seleccionar ENTRADA DE DATOS, meter los datos de la red, en el siguiente

orden:

1. General

2. Nudos.

3. Tramos

1. GENERAL:

En este apartado, se introducen los datos generales de la línea hidráulica, en

donde se proporciona el número de nudos, número de tramos, después se

introduce la fórmula que se seleccionara para trabajar (Manning, Hazen o Darcy).

Como paso siguiente se introducen los datos generales del proyecto y proyectista.

2. NUDOS

NÚMERO DE NUDOS. El criterio para enumerar los nudos de la red, será el de

seleccionar solamente los nudos que no tengan entrada de caudal ya sea por

tanques estacionarios o por bombeo, ya que la numeración y los datos de estos

nudos serán metidos en la opción TANQUES DE CABEZA FIJA. La numeración

79

de los nudos se hará de manera progresiva, barriendo la red de izquierda a

derecha y hacia abajo.

COORDENADAS (x, y), COTA Y DEMANDA DE CAUDAL EN CADA NUDO, ya

fueron predeterminados por ello se meten de manera directa al programa.

3. TRAMOS:

a) DIAMETRO. Se introducen los diferentes diámetros y rugosidades de los

tramos, si se tienen diferentes tipos de tramos.

b) NÚMERO DE TRAMO. La numeración se hace de manera arbitraria.

c) NUDOS QUE CONECTA. Aquí se definen cuales son los nudos que se

encuentran en los extremos y se introduce el número antes asignado a dicho

nudo.

d) COEFICIENTE. El cual relaciona las dimensiones del tramo con el tramo.

Cuando se ha terminado de introducir todos los datos de la red se procede a

grabar, ya que si se comete algún error en los siguientes pasos, el programa

automáticamente los llevará a su ventana principal y todos los datos se habrán

perdido.

Para obtener los datos del calculo de la RED, se introduce en las ventanas de

EJECUCIÓN, en donde se pretende obtener los resultados, por último se toma en

la pantalla la opción de RESULTADOS, en donde se arrojan los datos en pantalla,

impresos o en archivo, para después revisar los datos.

Se escoge este programa, ya que es el más utilizado a lo largo de la carrera de

Ingeniería Civil, es con el que se está más familiarizado y a diferencia de los

demás programas, este tiene la facilidad de introducción de datos, mismo que el

80

programa pide para su evaluación, así como su rápida comparación de los

resultados obtenidos con los calculados anteriormente.

81

IV. RESULTADOS E INTERPRETACIONES

En el estudio del diseño hidráulico para abastecer la cantidad de agua necesaria al

rancho El Carrizal, se conoce que en tiempos de sequía, se recurre al diseño de

un sistema para abastecimiento de agua al rancho. Se conoce una fuente de agua

que puede ser utilizada para contrarrestar la escasez de agua.

Los propietarios del rancho El Carrizal se ven en la necesidad de solicitar un

estudio para elaborar un diseño hidráulico que satisfaga la demanda de agua y de

esta manera contrarrestar la muerte de ganado y reducir el costo por acarreo de

agua desde el poblado de Ures Sonora. El diseño comienza con un estudio de

campo, que se realizó en el rancho, realizando un sondeo al manantial y al

terreno, para poder proponer las alternativas de solución.

Los datos obtenidos para este trabajo, fueron realizados en el mes de mayo de

2004, en donde se presentaron las temperaturas más elevadas del lugar, en este

tiempo, no se cuenta con agua depositada en el represo del lugar, sin embargo el

82

manantial presenta un gasto de 8000 litros por día. Además es importante

mencionar que en los tiempos de frecuentes lluvias el acuífero se recarga y hay un

mayor gasto.

4.1 Estudios topográficos Se encuentra ubicado un manantial a 2111 metros de distancia desde la vivienda

del rancho El Carrizal hasta la fuente de abastecimiento, con una diferencia de

altura, desde el punto máximo hasta el manantial de 235 metros, estos fueron

obtenidos del levantamiento topográfico efectuado en el rancho El Carrizal en el

mes de Mayo.

Con el levantamiento topográfico, se ubicó el trazo más favorable para la

colocación de la tubería para trasladar agua desde el manantial, resultando como

línea más favorable que va por el camino antiguo ahora inexistente, debido que

presenta menor longitud para la colocación de la tubería. Por otro lado la altura no

fue un factor determinante en la selección de la línea para la colocación de tubería

debido a que la altura máxima de los dos trazos es la misma.

Con el apoyo de un GPS, se obtiene la altura de la vivienda, 914 msnm con

coordenadas 12R0565046 y UTM 3274332 considerando estas como banco de

referencia. En lo que respecta al manantial, la altura obtenida es 707.80 msnm

12R0566184 y UTM 3273076. Mientras que el punto mas alto tiene una altura de

942.80 msnm

Los resultados antes mencionados se encuentran el las tablas 12 y 13

respectivamente, de los cuales se extraen los datos relevantes para el diseño.

La representación del proyecto, del plano de perfil del terreno, se presenta en el

ANEXO XV: perfil de la línea pelo de tierra, en donde se observa la variación de

terreno, cambiando de una pendiente a otra.

83

4.2 Línea de abastecimiento Los resultados de los cálculos hidráulicos se presentan en el ANEXO I, aplicando

las formulas 1, 5, 8 y 10 en donde se obtienen los datos básicos para alimentar el

programa de Análisis Hidráulico, se observa que en los puntos mas elevados del

sistema y en donde cambia de pendiente, es decir que llega a un ponto alto y baja,

se colocan válvulas expulsoras de aire, con la finalidad de controlar la presión

dentro de la tubería y evitar estallamiento de la misma.

Una vez empleadas las fórmulas necesarias para el calculo del diseño hidráulico

para cada diámetro de tubería, en donde se obtienen diferentes resultados, se

indica la altura de bombeo final, la que tendría que vencerse si se toman en

cuenta las diferentes medidas de la tubería.

Las fórmulas empleadas anteriormente, y según se observa en la Tabla 1, los

resultados obtenidos proporcionan que una tubería de diámetro nominal de 1

pulgada es adecuada para el diseño hidráulico con una altura de bombeo de

236.75 metros, sobrepasando la altura necesaria para el diseño hidráulico de 235

metros.

La tubería EXTRU PAK de diámetro de 1 pulgada la encontramos en tramos de

150 metros, de tal manera que se necesitan 15 rollos de tubería para satisfacer las

necesidades del proyecto con una cantidad de 14 coples de 1 pulgada para la

unión de los tramos de tubería.

Se necesitan también dos cárcamos de bombeo de acuerdo a las condiciones del

sistema hidráulico y a la lámina 1-75 (Parámetros del Cárcamo, según el Instituto

de Hidráulica), con un gasto de 0.11 litros por segundo que representa a dos días

de almacenamiento con un total de 20000 litros por ambos días, dando las

medidas del cárcamo de bombeo de:

C = 0.30 metros

B = 0.35 metros

84

S = 0.85 metros

H = 1.00metros

Y = 1.20 metros

A = 2.30 metros cúbicos

Estas medidas dan las condiciones exactas para el almacenamiento de dos días.

El primer cárcamo de bombeo se colocarán a un lado del manantial con la

finalidad de captar el agua necesaria paral la línea hidráulica, se construirá de

concreto hidráulico para evitar cualquier filtración posible, a la mitad de la línea

hidráulica a una distancia de 1055.5 metros del manantial, se colocará el segundo

cárcamo de bombeo con la mismas dimensiones del primero y del mismo material.

En la vivienda se colocará un deposito (tinaco) de 1000 litros que se estará

llenando de acuerdo a como baje el nivel del tanque, medido a través de un

flotador interno. Para el ganado se colocará un sistema de almacenamiento para

abastecerlo de agua con sus respectivos bebederos inferiores laterales, con una

capacidad de 10,000 litros, para poder abastecer las 150 cabezas de ganado. El

agua sobrante, se hará llegar al represo, como fuente de recarga con la finalidad

de que halla agua disponible.

4.3 Equipo de bombeo Para el diseño hidráulico y para poder abastecer la cantidad de agua deseada a el

rancho El Carrizal, se necesitan dos bombas centrifugas eléctricas, ya que una

bomba de pequeñas dimensiones no satisface la altura de bombeo total necesaria,

mientras que una bomba centrifuga de gasolina con mayores dimensiones, puede

dar mayor altura de bombeo para satisfacer las necesidades de diseño.

De acuerdo a las tablas de los proveedores la alternativa que satisface dichas

características del diseño hidráulico son dos bombas centrífugas sumergibles de

energía eléctrica de 5 galones por minuto de ¾ HP modelo 5S05-13 (3/4 HP),

85

venciendo una altura de bombeo de 155.45 metros, con una demanda de energía

de 0.56 kilo watts.

Las bombas necesitan de 560 watts para trabajar, por lo cual se instalarán paneles

solares, debido a que cada panel produce 50 watts, se necesitan instalar 12

paneles solares para cada bomba proporcionando una cantidad de 600 watts para

poder mover las bombas. Se instalará una batería en cada cárcamo de bombeo

con la finalidad de almacenar la energía eléctrica producida por los paneles

solares y se conectarán a la bomba su funcionamiento.

Cuando la cantidad de energía no sea la adecuada o la necesaria para activar las

bombas, o cuando el clima no permita la producción de energía eléctrica a través

de energía solar, se instalará una bomba centrífuga de gasolina sumergible

auxiliar, de 5 galones por minutos con una capacidad de 1 ½ HP modelo 5S15-31

(1 ½ HP), dando una altura de bombeo de 268.22 metros.

4.4 Disponibilidad de agua. El rancho El Carrizal requiere de una demanda de 7500 litros de agua por

día, la cantidad que actualmente se tiene en el rancho almacenada en el represo,

y el agua que es trasportada para su mantenimiento no es suficiente, aumentando

considerablemente las perdidas de cabezas de ganado. Los dueños del rancho

analizan las alternativas por contrarrestar dicho fenómeno, y se ha localizado un

manantial que cumple con las demandas de agua para abastecer el rancho.

El manantial cuenta con una disponibilidad de agua de 8000 litros diarios, que se

aprovecharan en su totalidad utilizando depósitos de 20,000 litros para su

almacenamiento, de esta manera la perdida de ganado se reducirá en gran

medida.

86

V. RECOMENDACIONES

Debido a la óptima ubicación del manantial, los propietarios del rancho El Carrizal

tienen el beneficio de expropiar el recurso natural para ser aprovechado por los

mismos.

La inversión inicial es elevada, debido que se tiene que comprar la infraestructura

necesaria para iniciar el proyecto, por esta razón no se invierte en muchos casos

similares a este, ya que no se cuenta con los recursos económicos para adquirirlo.

Sin embargo es recomendado el proyecto ya que en unos cuantos meses se ve la

recuperación de la inversión inicial, reduciendo la pérdida de ganado y evitando el

traslado de agua desde el poblado cercano.

En tiempos de lluvias, el manantial tiene la capacidad de suministrar mayor

cantidad de agua, lo que proporciona una mayor fuente de abastecimiento y

reserva para tiempos de sequía. De esta manera se cuenta con una fuente de

abastecimiento permanente para el ganado, dando como resultado un mejor

87

control del numero de cabezas de ganado, así como las nuevas crías que van

surgiendo a lo largo de una temporada. Por otra parte, el manantial cuenta con

mayor capacidad para abastecer una cantidad superior de ganado que con la que

se cuenta en la actualidad.

Con el sobrante de agua que se tiene en tiempo de lluvias, el líquido puede ser

utilizado para colocar una pequeña siembra de hortalizas de temporada utilizando

el agua del manantial para sus respectivos riegos. De igual manera, el agua es

suficiente para mayor número de personas en la vivienda para uso doméstico,

sanitario y uso personal.

La opción de seleccionar una bomba sumergible, es debido a que esta brinda

mayor altura de bombeo, selecciona como fuente de abastecimiento de energía

las celdas solares, ya que en esta región la mayoría del tiempo está soleado y la

producción de energía eléctrica a través de este método es favorable y puede

aprovecharse en su máxima expresión. Cuando la luz de la zona y el clima no lo

permita se recomienda poner en funcionamiento una bomba de gasolina para el

abastecimiento de agua.

El diseño hidráulico propuesto en este trabajo de investigación, es factible y

aplicable para solucionar el problema de sequía que se presenta en el rancho El

Carrizal porque evitará el traslado de agua desde el poblado más cercano,

acabando de esta manera con la muerte de ganado, proveyendo además de agua

para la vivienda y reduciendo los costos de transportación.

La colocación de dos cárcamos de bombeo facilita el levantamiento de agua hasta

una altura de 235 metros reduciendo la capacidad de la bomba para tener un

levantamiento de agua más eficiente y constante, así como menor pérdida de

energía y desgaste de la bomba.

88

Se recomienda hacer un estudio económico del sistema hidráulico, en cuanto a los

costos de la tubería, accesorios, cárcamo de bombeo, bombas y sistemas de

combustible, y comparar los costos con el traslado de agua desde el poblado de

Ures Sonora

89

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90

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http://www.conae.gob.mx/wb/distribuidor.jsp?seccion=2369

91

ANEXOS

92

ANEXO I: Tabla de resultados generales

Longitud total 2111 mAltura a vencer 233,66 mGasto 9,80E-05 m³/s

ε Area

hidraulica Gastoexterior

(mm)

espesor pared

(mm)

interior

(mm) (mm)

(m²) (m³/s)

13 1/2 21,3 2,9 15,5 0,009 0,000189 0,0001019 3/4 26,7 3,6 19,5 0,009 0,000299 0,0001025 1 33,5 4,6 24,3 0,009 0,000464 0,0001032 1 1/2 42,2 5,8 30,6 0,009 0,000735 0,0001038 1 1/4 48,3 6,6 35,1 0,009 0,000968 0,00010

Vel max Factor de

friccion f

HB

Pot HP Pot HP

(m/s) CLAC (HP) HP0,52 0,017 0,014 32,324 266,00 0,490 0,50,33 0,016 0,005 9,740 243,41 0,448 0,50,21 0,016 0,002 3,088 236,75 0,436 0,50,13 0,015 0,001 0,928 234,59 0,432 0,50,10 0,014 0,001 0,454 234,11 0,431 0,5

Tuberia EXTRU PAK

Φ

11 1/2

nominal (mm)

0,7461,1190,93251 1/4

bomba de HP

1/23/4

Energia

KW

0,3730,5595

gVs

2

2

gV

DLf

2

2

93

ANEXO II: Levantamiento topográfico 1

CADENAMIENTO EN PLANO COTA BASE DIFERENCIA. EN

PLANO

0+000 0 914 900 14 3,67

0+015 0,60 914,105 900 14,105 3,69

0+066 2,66 912,685 900 12,685 3,32

0+074 2,98 914,35 900 14,35 3,76

0+090 3,62 914,16 900 14,16 3,71

0+107 4,31 917,85 900 17,85 4,68

0+129 5,19 921,78 900 21,78 5,70

0+152 6,12 925,37 900 25,37 6,64

0+170 6,85 928,9 900 28,9 7,57

0+189 7,61 932,4 900 32,4 8,49

0+217 8,74 936,23 900 36,23 9,49

0+247 9,95 940,16 900 40,16 10,52

0+307 12,36 942,49 900 42,49 11,13

0+328 13,21 942,64 900 42,64 11,17

0+375 15,10 941,2 900 41,2 10,79

0+394 15,86 940,09 900 40,09 10,50

0+416 16,75 936,12 900 36,12 9,46

0+446 17,96 934,95 900 34,95 9,15

0+473 19,05 932,76 900 32,76 8,58

0+486 19,57 932,57 900 32,57 8,53

0+516 20,78 935,04 900 35,04 9,18

0+526 21,18 934,14 900 34,14 8,94

0+547 22,03 933,77 900 33,77 8,84

0+577 23,23 934,86 900 34,86 9,13

0+602 24,24 936,15 900 36,15 9,47

0+617 24,84 938,7 900 38,7 10,14

94


PLANO

0+647 26,05 941,46 900 41,46 10,86

0+656 26,41 940,97 900 40,97 10,73

0+683 27,50 937,24 900 37,24 9,75

0+713 28,71 936,94 900 36,94 9,67

0+743 29,92 933,04 900 33,04 8,65

0+770 31,00 928,75 900 28,75 7,53

0+800 32,21 924,53 900 24,53 6,42

0+825 33,22 920,57 900 20,57 5,39

0+838 33,74 917,7 900 17,7 4,64

0+857 34,51 913,97 900 13,97 3,66

0+864 34,79 911,95 900 11,95 3,13

0+870 35,03 909,6 900 9,6 2,51

0+887 35,72 906,3 900 6,3 1,65

0+907 36,52 902 900 2 0,52

0+927 37,33 898,27 850 48,27 12,64

0+943 37,97 894,1 850 44,1 11,55

0+958 38,57 889,31 850 39,31 10,30

0+977 39,34 885,28 850 35,28 9,24

0+996 40,10 882,06 850 32,06 8,40

1+008 40,59 877,97 850 27,97 7,33

1+018 40,99 874,68 850 24,68 6,46

1+030,5 41,49 870,98 850 20,98 5,49

1+055,5 42,50 866,72 850 16,72 4,38

1+068,5 43,02 863,52 850 13,52 3,54

1+084,5 43,67 859,65 850 9,65 2,53

1+098,5 44,23 855,92 850 5,92 1,55

1+117,5 45,00 852,8 850 2,8 0,73

1+130,5 45,52 848,94 800 48,94 12,82

95


PLANO

1+140,5 45,92 845,65 800 45,65 11,96

1+156,5 46,57 841,61 800 41,61 10,90

1+166,5 46,97 838,01 800 38,01 9,96

1+180,5 47,53 834,04 800 34,04 8,92

1+192,5 48,02 831,19 800 31,19 8,17

1+211,5 48,78 827,68 800 27,68 7,25

1+231,5 49,59 823,42 800 23,42 6,13

1+242,5 50,03 819,71 800 19,71 5,16

1+255,5 50,55 816,25 800 16,25 4,26

1+266,5 51,00 814,19 800 14,19 3,72

1+284,5 51,72 810,35 800 10,35 2,71

1+293,5 52,08 812,13 800 12,13 3,18

1+299,5 52,32 813,3 800 13,3 3,48

1+329,5 53,53 810,88 800 10,88 2,85

1+350,5 54,38 806,7 800 6,7 1,75

1+373,5 55,30 802,89 800 2,89 0,76

1+403,5 56,51 799,63 750 49,63 13,00

1+433,5 57,72 795,73 750 45,73 11,98

1+459,5 58,77 791,96 750 41,96 10,99

1+483,5 59,73 787,72 750 37,72 9,88

1+506,5 60,66 783,75 750 33,75 8,84

1+526,5 61,46 779,81 750 29,81 7,81

1+541 62,05 776,43 750 26,43 6,92

1+557 62,69 772,86 750 22,86 5,99

1+572 63,30 768,06 750 18,06 4,73

1+597 64,30 764,16 750 14,16 3,71

1+627 65,51 760,46 750 10,46 2,74

1+649 66,40 756,75 750 6,75 1,77

96


PLANO

1+674 67,40 752,76 750 2,76 0,72

1+694 68,21 749,4 700 49,4 12,94

1+709 68,81 746,96 700 46,96 12,30

1+739 70,02 744,66 700 44,66 11,70

1+769 71,23 741,66 700 41,66 10,91

1+794 72,24 738,01 700 38,01 9,96

1+812 72,96 734,23 700 34,23 8,97

1+842 74,17 732,64 700 32,64 8,55

1+862 74,97 728,48 700 28,48 7,46

1+890 76,10 724,36 700 24,36 6,38

1+920 77,31 723,11 700 23,11 6,05

1+950 78,52 719,87 700 19,87 5,20

1+978 79,64 716,09 700 16,09 4,21

2+008 80,85 717,42 700 17,42 4,56

2+034 81,90 719,2 700 19,2 5,03

2+052 82,62 716,72 700 16,72 4,38

2+069 83,31 715,22 700 15,22 3,99

2+088 84,07 712,75 700 12,75 3,34

2+094 84,32 711,25 700 11,25 2,95

2+111 85,00 707,8 700 7,8 2,04

97

ANEXO III: Levantamiento topográfico 2:


PLANO

0+000 0 914 900 14 3,67

0+030 1,15 910,35 900 10,35 2,71

0+060 2,29 905,83 900 5,83 1,53

0+090 3,44 905,32 900 5,32 1,39

0+120 4,58 906,6 900 6,6 1,73

0+137 5,23 910,63 900 10,63 2,78

0+154 5,88 912,34 900 12,34 3,23

0+165 6,30 914,8 900 14,8 3,88

0+195 7,45 918,92 900 18,92 4,96

0+225 8,60 921,41 900 21,41 5,61

0+255 9,74 925,65 900 25,65 6,72

0+280 10,70 925,2 900 25,2 6,60

0+310 11,84 926,05 900 26,05 6,82

0+340 12,99 927,65 900 27,65 7,24

0+368 14,06 928,77 900 28,77 7,54

0+393 15,01 931,66 900 31,66 8,29

0+423 16,16 934,44 900 34,44 9,02

0+453 17,31 937,58 900 37,58 9,84

0+483 18,45 938,38 900 38,38 10,05

0+508 19,41 940,67 900 40,67 10,65

0+530 20,25 936,6 900 36,6 9,59

0+560 21,39 935,43 900 35,43 9,28

0+587 22,42 933,24 900 33,24 8,71

0+600 22,92 933,05 900 33,05 8,66

0+630 24,07 935,52 900 35,52 9,30

0+640 24,45 934,62 900 34,62 9,07

98


PLANO

0+661 25,25 934,25 900 34,25 8,97

0+691 26,40 935,34 900 35,34 9,26

0+716 27,35 936,63 900 36,63 9,59

0+731 27,93 939,18 900 39,18 10,26

0+761 29,07 941,94 900 41,94 10,98

0+770 29,42 941,45 900 41,45 10,86

0+797 30,45 937,72 900 37,72 9,88

0+827 31,59 937,42 900 37,42 9,80

0+857 32,74 933,52 900 33,52 8,78

0+884 33,77 929,23 900 29,23 7,66

0+914 34,92 925,01 900 25,01 6,55

0+939 35,87 921,05 900 21,05 5,51

0+952 36,37 918,18 900 18,18 4,76

0+971 37,09 914,45 900 14,45 3,78

0+978 37,36 912,43 900 12,43 3,26

0+984 37,59 910,08 900 10,08 2,64

1+001 38,24 906,78 900 6,78 1,78

1+021 39,00 902,48 900 2,48 0,65

1+041 39,77 898,75 850 48,75 12,77

1+057 40,38 894,58 850 44,58 11,68

1+072 40,95 889,79 850 39,79 10,42

1+091 41,68 885,76 850 35,76 9,37

1+110 42,40 882,54 850 32,54 8,52

1+122 42,86 878,45 850 28,45 7,45

1+132 43,24 875,16 850 25,16 6,59

1+144,5 43,72 871,46 850 21,46 5,62

1+169,5 44,68 867,2 850 17,2 4,50

1+182,5 45,17 864 850 14 3,67

99


PLANO

1+198,5 45,79 860,13 850 10,13 2,65

1+212,5 46,32 856,4 850 6,4 1,68

1+231,5 47,05 853,28 850 3,28 0,86

1+244,5 47,54 849,42 800 49,42 12,94

1+254,5 47,92 846,13 800 46,13 12,08

1+270,5 48,54 842,09 800 42,09 11,02

1+280,5 48,92 838,49 800 38,49 10,08

1+294,5 49,45 834,52 800 34,52 9,04

1+306,5 49,91 831,67 800 31,67 8,29

1+325,5 50,64 828,16 800 28,16 7,38

1+345,5 51,40 823,9 800 23,9 6,26

1+356,5 51,82 820,19 800 20,19 5,29

1+369,5 52,32 816,73 800 16,73 4,38

1+380,5 52,74 814,67 800 14,67 3,84

1+398,5 53,43 810,83 800 10,83 2,84

1+407,5 53,77 812,61 800 12,61 3,30

1+413,5 54,00 813,78 800 13,78 3,61

1+443,5 55,14 811,36 800 11,36 2,98

1+464,5 55,95 807,18 800 7,18 1,88

1+487,5 56,83 803,37 800 3,37 0,88

1+517,5 57,97 800,11 800 0,11 0,03

1+547,5 59,12 796,21 750 46,21 12,10

1+573,5 60,11 792,44 750 42,44 11,12

1+597,5 61,03 788,2 750 38,2 10,00

1+620,5 61,91 784,23 750 34,23 8,97

1+640,5 62,67 780,29 750 30,29 7,93

1+655 63,22 776,91 750 26,91 7,05

1+671 63,84 773,34 750 23,34 6,11

100


PLANO

1+686 64,41 768,54 750 18,54 4,86

1+711 65,36 764,64 750 14,64 3,83

1+741 66,51 760,94 750 10,94 2,87

1+763 67,35 757,23 750 7,23 1,89

1+788 68,31 753,24 750 3,24 0,85

1+808 69,07 749,88 700 49,88 13,06

1+823 69,64 747,44 700 47,44 12,42

1+853 70,79 745,14 700 45,14 11,82

1+883 71,93 742,14 700 42,14 11,04

1+908 72,89 738,49 700 38,49 10,08

1+926 73,58 734,71 700 34,71 9,09

1+956 74,72 733,12 700 33,12 8,67

1+976 75,49 728,96 700 28,96 7,58

2+004 76,56 724,84 700 24,84 6,51

2+034 77,70 723,59 700 23,59 6,18

2+064 78,85 720,35 700 20,35 5,33

2+092 79,92 716,57 700 16,57 4,34

2+122 81,07 717,9 700 17,9 4,69

2+148 82,06 719,68 700 19,68 5,15

2+166 82,75 717,2 700 17,2 4,50

2+183 83,40 715,7 700 15,7 4,11

2+202 84,12 713,23 700 13,23 3,47

2+208 84,35 711,73 700 11,73 3,07

2+225 85,00 708,28 700 8,28 2,17

101

ANEXO IV: Tabla de Curvas características de bombeo.

107

ANEXO V: Características de la tubería EXTRU PAK dependiendo su RD

111

ANEXO VI: Dimensión de un cople de una pulgada

112

ANEXO VII: Perfil de la línea pelo de tierra

113

ANEXO VIII: Distribución de los elementos del diseño hidráulico a través de la línea pelo de tierra.

ANEXO IX: Medidas del cárcamo de bombeo 230

CORTE LONGITUDINAL

230

VISTA EN PLANTA

35

35

42,5

42,5

BOMBA

120

3010

0

120

FLUJO DE AGUA

Trataré de ajustarme a la vida. Aceptaré el mundo como es y procuraré encajar en ese mundo. Si sucede algo que me desagrade, no me mortificaré ni me lamentaré; agradeceré que haya sucedido, porque así se puso a prieta mi voluntad de ser feliz. Hoy seré dueño de mis nervios, de mis sentimientos, de mis impulsos, para triunfar tengo que tener dominio de mí mismo.

Anónimo

aprovechamiento de los recursos hidraulico …

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