diseño

Contenido

1. CANALES..................................................................................................................................................2

CRITERIOS DE DISEÑO....................................................................................................................2

1.1. CAUDAL (Q)................................................................................................................................3

1.2. ANCHO DE LA SOLERA (B).................................................................................................3

1.3. TIRANTE HIDRÁULICO (Y)..................................................................................................3

1.4. ÁREA HIDRÁULICA (A).........................................................................................................3

1.5. COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (N).................................................................................4

1.6. TALUD APROPIADO SEGÚN EL TIPO DE MATERIAL (Z)....................................4

1.7. VELOCIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA PERMISIBLE (V).................................................5

1.8. BORDE LIBRE (BL)..................................................................................................................6

1.9. PROFUNDIDAD TOTAL (H).................................................................................................7

2. CONDUCCIONES.....................................................................................................................................8

PRINCIPIOS PARA EL DISEÑO. TRAMOS DE TUBERÍA A CONSIDERAR..............8

2.1. DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO ÓPTIMO DE LA CONDUCCIÓN................8

3.3. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA....................................................................9

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1. CANALES

Uno de los factores que intervienen en el costo de construcción de un canal el volumen por excavar; este a su vez depende de la sección transversal. Mediante ecuaciones se puede plantear y resolver el problema de encontrar la menor excavación para conducir un caudal dado, conocida la pendiente. La forma que conviene dar a una sección de magnitud dada, para que escurra el mayor caudal posible, es lo que se ha llamado “sección de máxima eficiencia hidráulica”.

Considerando un canal de sección constante por el que debe pasar un caudal máximo, bajo las condiciones impuestas por la pendiente y la rugosidad; de la ecuación del caudal:

Q=1n

A ¿R23 ¿ I

12 Ec .1

Dónde: n, A y S son constantes; luego, la ecuación del caudal puede expresarse como:

Q=K ¿ R23 Ec .2

Siendo K una constanteEn la ecuación (2), observamos que el caudal será máximo si el radio hidráulico es máximo, o sea que R = A / P es máximo

R= AP

Ec .3

En la ecuación (3), como A es constante, R será máximo si P es mínimo, es decir Q es máximo si P es mínimo, para A constante.

CRITERIOS DE DISEÑO.

Se tiene diferentes factores que considerar el diseño de canales, los cuales se tendrán en cuenta: el Caudal a Conducir, factores geométricos e hidráulicos de la sección, materiales de revestimiento, topografía existente, la geología y la geotecnia de la zona, los materiales disponibles en la zona, costos de materiales disponibilidad de mano de obra calificada, tecnología actual, optimización económica,

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socioeconómica de los beneficiarios, climatología, altitud, etc. Si se tienen en cuenta todos estos factores, se llegara a una solución técnica y económica más conveniente.

1.1. CAUDAL (Q)El caudal tiene que ser el dato de partida, que se puede calcular con base en el módulo de riego, la superficie que se va a regar y caudal que resulte de las pérdidas por infiltración durante la conducción. Y en el caso de canales sirve para evacuar excedentes de las aguas pluviales, en el caudal de diseño se toma en cuenta las consideraciones hidrológicas.

1.2. ANCHO DE LA SOLERA (B)

Resulta muy útil para cálculos posteriores fijar de antemano un valor para el ancho de solera, plantilla o trace, con lo cual se pueden manejar con facilidad las fórmulas para calcular el tirante.Para canales pequeños, el ancho de la solera estará en función del ancho de la pala de la maquinaria disponible para la construcción.

1.3. TIRANTE HIDRÁULICO (Y)

La profundidad de los canales sigue la siguiente relación:y=1

2 √A

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CRIT

ERIO

S DE

DIS

EÑO

DE

CAN

ALES

Caudal (Q)

Velocidad media del agua (v)

Pendiente (S)

Coeficiente de Rugosidad (n)

Talud (Z)

Ancho de la solera (b)

Tirante (y)

Area Hidraulica (A)

Borde libre (BL)

Profundidad total (H)

1.4. ÁREA HIDRÁULICA (A)

Se obtiene usando la relación geométrica:A=(b+Zy ) y

Una vez calculado, el ancho de solera, talud y tirante. También se obtiene usando la ecuación de la continuidad:

A=Qv

1.5. COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (N)

Esta depende del cauce y talud, dado que las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidades y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se dísela canales en tierra se supone que el canal esta recientemente abierto, limpio y con un trazo uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservara con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad.En canales proyectados con revestimiento, la rugosidad es función del material usado, que puede ser concreto, geomanta, tuberías PVC ó HDP ó metálica, o si se van a trabajar a presión atmosférica.

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1.6. TALUD APROPIADO SEGÚN EL TIPO DE MATERIAL (Z) La inclinación de las paredes laterales de un canal , depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación de presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de materiales.

1.7. VELOCIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA PERMISIBLE (V)

La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra. El valor de 0.8 m

s2 se considera la velocidad como apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal.La velocidad mínima permisible, es algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos.

v=1n∗R

23∗I

12

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Para velocidades máximas, en general, los caudales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos.

En la tabla Nº 10, da valores de velocidad admisible altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de (2.5 –3.0 ) m

s2. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante.

1.8. BORDE LIBRE (BL)

Es el espacio entre la cota superior del canal y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo de borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canl, se puden originar por causas incontrolables.

La U.S. BUREAU OF RECLAMTION recomienda estimar el borde conla siguiente formula:

Bordelibre=√C∗YPágina 6

Borde libre: en piesC = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 /seg, y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies 3 /seg.Y = Tirante del canal en pies

FIGURA 7-9 Borde libre y altura de revestimiento, recomendados en canales revestidos

(Fuente: U.S. Boureau of Reclamation)

Criterios para designar el valor del borde libre: MAXIMO VILLÓN BEJAREn rela c ión al caud a l se tien e :

Caudal (m³/s)

Borde libre (m)Menores

que 0.500.Mayores que

0.500.

En relación al ancho de solera se tiene:

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En función al caudal, se recomienda:

Caudal (m³/s)

Canal revestido

Canal sin revestir

Menor o igual a 7

.100.05 – 1 2

0.25 – 0.50

20

400.50 – 2 5

Mayor a 3 6(Fuente: Maximo Villon.)

1.9. PROFUNDIDAD TOTAL (H)

H= y+BL

2. CONDUCCIONES

DISEÑO DEL SISTEMA DE TUBERÍAS

PRINCIPIOS PARA EL DISEÑO. TRAMOS DE TUBERÍA A CONSIDERAR

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Para llevar a cabo el diseño de las tuberías que componen las distintas líneas de proceso se dividirán éstas en tramos, cada uno de los cuales estará formado por la porción de línea comprendida entre dos equipos consecutivos. De esta forma los diferentes aspectos a calcular (diámetro óptimo de la conducción, pérdidas de carga, etc.) se evaluarán independientemente para cada uno de estos tramos. La definición y descripción de los diferentes tramos de tubería se realizará sobre el correspondiente diagrama de flujo, usándose para designar cada uno de ellos los nombres de los equipos que constituyen su principio y su final.

1.2.

2.1. DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO ÓPTIMO DE LA CONDUCCIÓN

Un aspecto muy importante a tener en cuenta para el diseño del sistema de tuberías sistema es el de la velocidad que alcanza el fluido por el interior de las conducciones. Dicha velocidad, en el caso de la circulación isoterma de fluidos incompresibles, viene determinada por el caudal y el diámetro de la sección interna de la conducción, y para cada fluido tiene un valor máximo que no debe ser sobrepasado, ya que de lo contrario puede producirse un deterioro del producto por tratamiento mecánico inadecuado. Los valores aproximados que se usan en la práctica dependen del tipo de fluido que se trate, pero los más corrientes se recogen en la Tabla 1. Los valores de la tabla son los más corrientes en la práctica ordinaria, sin embargo, en condiciones especiales, pueden

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CRIT

ERIO

S D

E D

ISEÑ

ODiametro

Velocidad Media

Numero de Reynolds

Rugosidad Relativa

Diagrama de Moody para hallar f

Calculo de Perdidas de carga

requerirse velocidades que están fuera de los intervalos indicados. Las velocidades pequeñas han de ser las más utilizadas, especialmente cuando el flujo es por gravedad desde tanques elevados

Para la limpieza CIP, la velocidad de las soluciones detergentes o del líquido para el aclarado, no debe ser menor de 1.5 m/s.

Así, para un caudal determinado del fluido a bombear, imponiendo la velocidad máxima del mismo, se determina de forma inmediata el diámetro mínimo de la conducción. Deberá escogerse, en cualquier caso, el diámetro normalizado inmediatamente superior a dicho valor mínimo. Dicho valor es lo que se conoce como el diámetro óptimo de la conducción, pues representa el menor coste posible, cumpliendo las exigencias en cuanto a la velocidad de máxima de circulación del fluido por la misma.

3.3.1.3.2.3.3. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA

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RESISTENCIA AL FLUJO

PERDIDAS CONTINUAS

Ec. Darcy Weisbach Hazen Willians

PERDIDAS LOCALES

ECUACIÓN DARCY – WEISBACHa) Flujo Turbulento.

h f=

f ∗LD

∗V 2

2gf =8g

C2

b) Flujo Laminar.

h f=

f ∗LD

∗V 2

2gf =64

ℜ

ECUACIÓN DE HANZEN WILLIAMS

Esta ecuación es de origen empírico.Usado en Tuberías con:

Flujo Turbulento Tuberías de D>2 Velocidades ≤ 3m /s

h f=( Q0,28∗C H−W∗D3,63 )

1,85

∗L

El rozamiento de un fluido con las paredes de la tubería por la que circula provoca en el mismo una caída de presión. Conocer el valor de esta caída de presión es necesario de cara al cálculo de las bombas, pero también para comprobar que el diámetro elegido para la conducción es suficiente, pues de ser éste muy pequeño la pérdida de carga que se produzca será muy elevada. En este sentido se consideran valores razonables de caída de presión en una conducción los siguientes (para caudales de 0 a 60 m3/h):

- Zona de aspiración de bombas: 0.40 kg/cm2 (0.39 bar)

- Zona de impulsión de bombas: 0.6 a 0.8 kg/cm2 (0.59 a 0.78 bar)

De esta forma, al realizar el cálculo de las pérdidas de carga, se procurará que, en la medida de lo posible, no superen los valores anteriores. Si esto sucediere habrá de aumentarse el diámetro de la conducción por encima del que recomienda la velocidad de circulación máxima del fluido, de modo que la pérdida de carga disminuya. Sin embargo, en algunos casos, no será posible incrementar dicho valor ya que éste se halla igualmente limitado por el diámetro de las conexiones de los equipos (sobre el que ha de informar el fabricante).

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Para calcular las pérdidas de carga en una conducción se suele utilizar la ecuación de

Fanning, que expresada en términos de altura es la siguiente:

H=

4∗f∗Ld

∗v2

2g

Donde:

H es la pérdida de carga en metros de columna de líquido (m.c.l.)f es un coeficiente de fricción adimensionalL es la longitud de la tubería, md es el diámetro interior de la tubería, m v es ves la velocidad del fluido, m/sg es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

El coeficiente de fricción "f" es función del tipo de flujo y se calcula del modo siguiente: Si el flujo es laminar (Re ≤ 2000) Si el flujo es turbulento (ℜ≥ 4000) o pertenece a la llamada zona de

transición (2000<ℜ<4000) se recurre a diagramas como el de Moody que expresa la relación entre "f", el número de Reynolds (Re) y un parámetro conocido como rugosidad relativa de la conducción, que se representa como ε/d (d sigue siendo el diámetro interno de laConducción) y que se encuentra tabulado para distintos materiales. En concreto y para tubos de acero inoxidable el valor de diseño de ε es de 0.006 cm.

Por tanto para calcular las pérdidas de carga se hace necesario caracterizar el tipo de flujo que se da en la conducción, para lo que es preciso conocer el número de Reynolds, el cual se calcula de la expresión siguiente:

ℜ=d∗v∗ρμ

donde:

vy d representan las magnitudes ya indicadasρes la densidad del fluido, kg/m3μ es la viscosidad dinámica del fluido, Pa*sTodo lo anterior es válido para fluidos newtonianos pero si el fluido no es de esta clase, será necesario, para calcular el factor de fricción de Fanning, recurrir a un gráfico de Moody modificado en el que se usa el

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número de Reynolds generalizado, que se calcula de la expresión siguiente:

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