calculo captacion

COMPAÑÍA DEL ACUEDUCTO METROPOLITANO DE BUCARAMANGA E. S. P.

1TÚNEL DE CONDUCCIÓN ENTRE EL EMBALSE PIEDRAS BLANCAS Y EL RÍO MANCO

La conducción del embalse Piedras Blancas al Río Manco se lleva a través de un túnel con sección en herradura de pata recta de 2,1 m de diámetro útil. El túnel trabaja en su zona inicial a presión, hasta llegar a las válvulas de control de caudal. Hacia aguas abajo de esta zona el túnel trabaja a flujo libre.

La captación y la cámara de válvulas son obras que requieren un diseño hidráulico. Los criterios de diseño seguidos y los resultados obtenidos para el dimensionamiento de éstas obras son:

1.1ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN

La cota de ubicación de la estructura de captación se define en 3399 msnm, teniendo en cuenta que la construcción de la misma no puede ser interferida por crecientes de la quebrada Piedras Blancas. El criterio de embalse muerto no aplica en este caso para la colocación de la estructura de captación, ya que el transporte de sedimentos no genera una acumulación crítica de sedimentos en la zona de captación.

Para evitar el paso de material que pueda deteriorar el túnel y en especial las válvulas de control, se especifica la colocación de rejillas conformadas por perfiles metálicos de 19,05 mm (3/4 ”) con separación entre bordes de 5 cm.

El dimensionamiento de la rejilla se realiza teniendo en cuenta que siempre estará sumergida y que no será fácilmente accesible para efectos de limpieza. Para estas condiciones el US Bureau of Reclamations recomienda una velocidad de paso de 0,61 m/s (2 pies/s). Además de la restricción de velocidad, se diseña la rejilla con un caudal 50 % superior al caudal de conducción y se asume una colmatación del 50 % del área neta de paso del agua a través de la rejilla.

Dado que el caudal de diseño del sistema es 3,06 m3/s, el caudal de diseño de la rejilla de captación es:

Q = 3,06*1,5 = 4,59 m3/s

El área neta requerida es:

An = 1,5 Q

V = 1,5

4 59

0 61

,

, = 11,29 m2

AMPLIACIÓN ACUEDUCTO DE BUCARAMANGACONSORCIO INGETEC S.A. - ETA S.A.1


Utilizando el área neta resultante se diseña la disposición de rejillas mostrada en el plano______________.

1.2PÉRDIDAS DE ENERGÍA DEL SISTEMA HASTA LA CÁMARA DE VÁLVULAS

Para regular el caudal de captación del embalse, se especifica un sistema de válvulas compuesto por una Válvula Mariposa y una Válvula de Cono Fijo (Howell-Bunger), la primera actuando como guarda en operaciones de cierre, y la segunda actuando como reguladora de caudal.

Para el diseño del sistema de válvulas se requiere la altura neta de presión aguas arriba de la válvula Howell-Bunger. Para el cálculo de la altura neta se requiere conocer las pérdidas de energía a través del sistema, las cuales se obtienen así:

1.2.1Pérdidas en la reja de captación

Para evaluar las pérdidas en la reja de captación se usa la fórmula de Kirshmer:

hR = s

b

v

g

43 2

2sen Ec.(1.1)

Donde:

hR: Pérdida de altura de energía

: Coeficiente de forma de la rejilla

s: Espesor de los barrotes

b: Separación neta entre barrotes

v: Velocidad del flujo aguas arriba de la rejilla

g: Aceleración de la gravedad

: Ángulo del plano de la rejilla con la horizontal

Para este caso se tienen barras circulares de 19,05 mm (3/4 ") separadas 5 cm borde a borde en disposición vertical, por lo tanto:

= 1.79 \ s = 0,01905 m \ b = 0.05m \ = 90°



La velocidad del agua en la cara aguas arriba de la rejilla es 0,1 m/s, por lo tanto, la pérdida por rejilla, aplicando la ecuación 1.1, es:

h1 = 0,0008 m

1.2.2Pérdidas en la entrada del túnel

Para la evaluación de las pérdidas menores en la entrada del túnel se utiliza la siguiente ecuación:

hE = Kv

g

2

2Ec. (1.2)

Donde:

hE: Pérdida de altura de energía

K: Coeficiente de pérdida

v: Velocidad del flujo dentro del túnel

g: Aceleración de la gravedad

El coeficiente de pérdidas depende de la relación entre el radio del abocinamiento en la entrada y el diámetro del túnel de conducción. Para este caso se tiene:

R

D=

1,0

2,1 = 0,4

Para esta relación se tiene:

K = 0,03

Por lo tanto, aplicando la ecuación 1.2 se tiene:

h2 = 0,0009 m

1.2.3Pérdida por fricción en el túnel

La pérdida por fricción en el túnel se calcula a partir de la ecuación de Manning:



hF = ( )nv

R

2

43

L Ec. (1.3)

Donde:

hF: Pérdida de altura de energía

n: Coeficiente de rugosidad de Manning

v: Velocidad del flujo en el túnel

R: Radio hidráulico

L: Longitud del tramo en estudio

Para el tramo de túnel aguas arriba de la cámara de válvulas, se tienen los siguientes parámetros:

n = 0,014 \ L = 436 m \ v = 0,777 m/s \ R = 0,525 m

Por consiguiente, la pérdida por fricción en el túnel aguas arriba de la cámara de válvulas, aplicando la ecuación 1.3 es:

h3 = 0,1218 m

1.2.4Pérdida a la entrada en el sistema de válvulas

Las válvulas de regulación y control tienen un diámetro inferior al diámetro del túnel, por lo tanto, a la entrada al sistema de válvulas existe una contracción cuya pérdida se evalúa haciendo uso de la ecuación 1.2, con el coeficiente de pérdida (K) definido por:

K = 1

21 2

1

2

D

DEc. (1.4)

Donde:

D2: Diámetro aguas abajo de la contracción

D1: Diámetro aguas arriba de la contracción

Para el cálculo del coeficiente de pérdidas se tienen los siguientes diámetros:



D2 = 1,0 m \ D1 = 2,1 m

Por lo tanto:

K = 0,387

Aplicando la ecuación 1.2, la pérdida por contracción es:

h4 = 0,2997 m

1.2.5Pérdidas por fricción en la zona de válvulas

Entre la contracción y la válvula mariposa existe un tramo de tubería, cuyas pérdidas por fricción son evaluadas utilizando la ecuación 1.3 con los siguientes parámetros:

n = 0,012 \ L = 3,0 m \ v = 3,896 m/s \ R = 0,25 m

La pérdida por fricción en éste tramo es:

h5 = 0,0416 m

1.2.6Pérdida en la válvula mariposa

La pérdida en la válvula mariposa se evalúa utilizando la ecuación 1.2. El coeficiente de pérdidas

K depende de la relaciónD

, siendo el espesor de la lenteja de la válvula y D el diámetro de

esta.

Para la válvula especificada, la relación D

es 0,12 , por lo tanto:

K = 0,24

Aplicando la ecuación 1.2 se tiene que la pérdida por válvula mariposa es:

h6 = 0,1857 m



1.2.7Contracción hacia válvula Howell-Bunger

Antes de llegar a la válvula Howell-Bunger, existe una contracción cuya pérdida se evalúa usando la ecuación 1.2. El valor del coeficiente de pérdida depende del ángulo con el que se lleva a cabo la transición, el cual corresponde a 5,72°. Por lo tanto el coeficiente es:

K = 0,05

Aplicando la ecuación 1.2 se tiene la pérdida en la transición:

h7 = 0,0945 m

1.3DISEÑO DEL SISTEMA DE VÁLVULAS DE CONTROL

Como se mencionó anteriormente, el sistema de válvulas se compone de una válvula mariposa y una Howell-Bunger.

La válvula Howell-Bunger se diseña para permitir el caudal de diseño (3,06 m3/s) con un 80% de apertura en la válvula y el nivel mínimo de operación en el embalse (3404 msnm). Para niveles de operación del embalse superiores al mínimo, se debe regular la apertura de la válvula con el fin de permitir la descarga requerida.

Para el dimensionamiento de la válvula se utiliza la ecuación de descarga de un orificio:

Q = CD A 2gHN Ec. (1.4)

Donde:

Q: Caudal de descarga. Q = 3,06 m3/s

CD: Coeficiente de contracción del flujo. CD = 0,80

A: Área de la válvula totalmente abierta.

HN: Altura neta de energía aguas arriba de la válvula. HN = HT - H

HT: Altura total de energía. HT = 4,44 m

H: Pérdida de altura de energía hasta la válvula

La pérdida total de energía hasta la válvula es:



H = hii

1

7

= 0,0008 + 0,0009 + 0,1218 + 0,2997 + 0,0416 + 0,1857 + 0,0945

H = 0,745 m

De donde la cabeza neta resulta ser:

HN = 3,695 m

Aplicando la ecuación 1.4 a las condiciones dadas resulta el diámetro requerido para la válvula:

DHB = 0,756 m

Por razones comerciales se especifica una válvula Howell-Bunger con un diámetro de 0,8 m.

La válvula mariposa se especifica con un diámetro 20% superior al diámetro de la válvula Howell-Bunger. Por lo tanto:

DM = 1,2*0,8 = 0,96 m

Por razones comerciales se especifica una válvula Mariposa con un diámetro de 1,0 m.


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