Abastecimiento de Agua, Conducciones, Capítulo 6 Dim

ABASTECIMIENTO DE AGUACONDUCCIONES A PRESIÓN.

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INTRODUCCIÓN

Una conducción a presión, el agua ocupa toda la sección de la tubería-, permite conducir el agua en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión, ya sea desde la captación hasta la planta de tratamiento o desde ésta hasta los tanques de reserva, utilizando como fuente de energía la gravedad.

Una línea de conducción es el conjunto de integrado por tuberías y dispositivos de control


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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS

Cualquier tubería está definida por su tipo, clase y diámetro nominal

El tipo hace referencia al material del que está fabricado:

Cloruro de Polivinilo PVC

Asbesto Cemento AC;

Polietileno de alta densidad PEAD

Hierro fundido dúctil, HF y/o HD

Acero;

Fibra de vidrio. PRFV


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La clase hace referencia, a la presión que puede soportar. Se debe escoger la tubería de manera que la obra sea lo más económica posible.

Dependiendo del material se tienen distintas maneras de expresar la clase de tubería.

El diámetro nominal: DN; es la designación del diámetro expresado en milímetros. Corresponde al diámetro (exterior o interior-dependiendo del tipo) de la tubería.

Así: PVC DI/DE

PRFV ID/OD

Fundición DI

Acero DE


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Espesor (e) hace referencia a l diferencia entre el díamtero exterior y el interior.

Rigidez: define la capacidad resistente del tubo frente a cargas externas o a depresiones interiores.

Serie:

Densidad: la densidad de los distintos materiales de la tuberías:

PE Polietileno 0,93 – 0,96 g/cm3

PVC 1,35 – 1,46

Hormigón 2,3

Fundición 7,15

Acero 7,85PP 0,90

PRFV 1,80


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Presiones:

Máxima admisible: Presión máxima, incluido el golpe de ariete, que es capaz de soportar en servicio.

Máxima de funcionamiento –presión de trabajo-: presión hidrostática máxima que es capaz de soportar en forma permanente en servicio.

Máxima de prueba en obra: Presión máxima que se puede soportar, durante un corto periodo de tiempo –para pruebas de control de calidad, estanquieidad e integrad de la conducción.

De servicio: Presión interna en el punto de conexión de la instalación domiciliaria, con caudal nulo e la acometida.


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Tuberías de Acero.Norma de fabricación: ANSI-ASTM A 120-79

ANSI: American National Standard Institute

ASTM American Society Testing Materials

Las tuberías se fabrican bajo las denominaciones: cédula 30, 40 y 80.

Las tuberías son pesadas; muy resistentes; rígidas; requieren de protección contra la corrosión; son costosas; su unión puede ser roscada o con soldadura.

Su bajo contenido de carbón no le hacen resistente a la oxidación y a la corrosión.

Son de una dificultad media en cuanto a colocación.

Muy estancas.

Se utilizan en tuberías de alta presión en centrales hidráulicas.

Dependiendo de su recubrimiento interior el coeficiente C es variable.


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Tuberías de PVC.Formada por plastificación del polímero cloruro de polivinilo, obtenido a partir de la cloruro de sodio, carbón, cal y agua. Durante su fabricación, se añade estabilizantes, antioxidantes, lubricantes y pigmentos.

Normas de fabricación: INEN 1373

ASTM D - 1785

INEN: Instituto Ecuatoriano de Normalización.

Las tuberías son livianas; flexibles baja resistencia a los impactos; bajas resistencia al aplastamiento; son las más económicas; fácil de instalar; No resisten la intemperie-se cristaliza.

Se presentan en tubos de 6 m de longitud útil

Su unión puede ser espiga-campana (con pega) o elastomérica.

Comúnmente para tuberías mayores a 63 mm son uniones elastoméricas..


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Tuberías de PVC …Son las más usadas actualmente.Clases: en función de la presión que resiste: 0,50; 0,63; 1,00, 1,25 MPA.

El diámetro nominal hace referencia al diámetro exterior de la tubería, lo que permite el uso de varias marcas en una misma obra.

Coeficiente de transporte C = 140

Tienen buena estanqueidad

Diámetros: hasta los 400 mm.


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Tuberías de Asbesto Cemento -ACFabricadas por enrollado tensionado de una capa muy delgada de una mezcla homogénea de cemento portland y fibras de asbesto (amianto) con o sin adición de otras fibras en capas múltiples.

Las fibras de asbesto pueden presentar una resistencia a la tracción de 7500 kg/cm2, hacen el mismo trabajo que el hierro en el hormigón armado.

Su uso data de 1920.

Estudios epidemiológicos acerca de los efectos sobre la salud , relacionados con los niveles de asbesto en el agua potable no han indicado ningún incremento del riesgo de tumores en las vías digestivas producto de ingerir fibras de asbesto.

ABASTECIMIENTO DE AGUACONDUCCIONES A PRESIÓN – A GRAVEDAD.

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Tuberías de AC…Se fabrican para resistir presiones de 10, 15, 20, 25, 30 kg/cm2, lo que define el espesor de la tubería y su clase.

El diámetro nominal corresponde al diámetro interno. Los diámetros externos son diferentes para cada clase de tubería.

La unión , de tipo elastomérico, se realizan mediante uniones denominada Rekas “rk”, para lo cual debe tornearse sus extremos a fin de permitir la colocación el accesorio.

Son más frágiles que la de HF; son inertes a la corrosión, a excepción de suelos con alto contenido de sulfatos,

Requieren cuidado especial en su transporte, manejo y almacenaje.

Su coeficiente de transporte C = 120

ABASTECIMIENTO DE AGUACONDUCCIONES A PRESIÓN – A GRAVEDAD.

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Tuberías de Polietileno de alta densidad. PEEl polietileno es un polímero derivado del Etileno, tiene un alto peso molecular lo que le da una gran resistencia.

La mezcla contiene negro de humo y antioxidante que le otorgan una resistencia a los rayos ultravioletas.

Al igual que el PVC tiene gran resistencia a agentes corrosivos y fluidos químicos; bajo efecto de incrustaciones.

Mayor flexibilidad, se fabrican en rollos.

Norma de fabricación INEN 144- ISO 4427

El diámetro nominal se refiere al externo.

La “serie” define la presión de trabajo.

La unión se realiza mediante termofusión, electrofusión, o accesorios mecánicos –plásticos o metálicos.


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Tuberías de PRFV.Los principales componentes son: resinas poliésteres; fibra de vidrio y sílice.

Tiene tres capas monolíticas: “liner” que garantiza la estanqueidad y la resistencia química; la segunda capa-mecánica-resistente le otorga las propiedad mecánicas; y la tercera “Gel Goat” protege externamente a la tubería con el agregado de inhibidores de rayos ultravioletas.

El diámetro nominal hace referencia a su diámetro interno.

Se definen por su clase (presión interna) y por su rigidez –resistencia a la deformación vertical por aplastamiento (presión externa)

Unión elastomérica.

Son caras; la velocidad de colocación es media; buena estanqueidad, regular resistencia a los impactos.


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Tuberías de Hierro Fundido -HFLas tuberías son fabricadas con una mezcla de hierro, carbón, coke y piedra caliza, que es fundida y colocada en moldes giratorios.

La cristalización del carbono se hace en forma laminar limitando la continuidad de la fundición.

Son resistentes a la oxidación, pero el carbón - en la manera como se cristaliza- la hace frágil, debiendo colocarse en zanjas para protegerlas de los impactos.

Son muy rígidas, se fracturan bajo condiciones de carga excesiva.


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Tuberías de Hierro fundido dúctil HDSi a la mezcla del hierro fundido se añade vapores de magnesio, el carbón se cristaliza en forma de esférica que impide la propagación de posibles fisuras lo que le confiere a la fundición mayor ductilidad, de allí su nombre.

Tiene la misma resistencia que el acero en cuanto ala resistencia a la tracción e impacto y manteniendo la resistencia a la corrosión.

Se fabrica con el proceso de fundición, se centrifugan en moldes metálicos, luego se les protege internamente con una capa de mortero de cemento de 3,5 mm de espesor aplicada también por centrifugación. Tienen protección zinc para la corrosión y pintura bituminosa

Normas de fabricación: AWWA C-106-70

ANSI A21.6 – 1970

ASTM A 377

ISO 2531; 4179; 8179-1; 4633


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Tuberías de HD…Las tuberías son pesadas, son elásticas; resisten al impacto; son costosas en diámetros grandes; relativamente fáciles de instalar; su unión puede ser elastomérica y bridada.

Resisten la intemperie. Enterradas pueden sufrir el ataque de ciertos suelos.

Resisten altas presiones tantas internas como externas.

Se presentan en tubos de 6 m de longitud útil.

Son usadas en conducciones de alta presión. Plantas de tratamiento de agua; Tanques de reserva; Estaciones de bombeo. Clases: en función de la presión que resiste: K7, K9, etc.

El diámetro nominal hace referencia al diámetro Exterior.


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Selección del tipo de tubería.

Factores hidráulicos;

Diámetros disponibles;

Calidad del agua y tipo de suelo;

Resistencia mecánica,

Resistencia a la corrosión;

Facilidad de instalación;

Costo y vida útil;


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HIDRÁULICA DE CONDUCCIONES A PRESIÓN

Línea de carga y línea piezométrica.La línea piezométrica es la línea que corresponde a las alturas a la que el líquido subiría en piezómetros instalados en la conducción, también se denomina línea del gradiente hidráulico.La línea de carga efectiva: es la línea piezométrica a la que se ha sumado la altura correspondiente a la carga de velocidad Kv2/2g , esta altura es prácticamente despreciable. Plano de carga efectivo o carga estática: Corresponde a la altura o cota de la reserva o tanque de carga.Carga dinámica: corresponde a la carga estática menos la pérdida de energía.Pérdida de energía o hf


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Posición de a tubería en relación a la línea piezométrica.1. La tubería está ubicada bajo la línea piezométrica en toda su longitud.

Es la posición “óptima. El flujo es normal, el caudal transportado será el correspondiente al calculado.

2. La conducción coincide con la línea piezométrica.

Es el caso de las conducciones a superficie libre.

3.La conducción pasa por encima de la línea piezométrica, pero por debajo de la línea piezométrica absoluta


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4. La conducción corta a la línea piezométrica absoluta pero queda por debajo del plano de carga efectivo.

5 La conducción corta la línea piezométrica y el plano de carga efectivo pero queda debajo de la línea piezométrica absoluta.

6. La canalización pasa por encima del plano de carga y de la línea piezométrica absoluta pero por debajo del plano de carga absoluto

7 La conducción corta el plano de carga absoluto


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DESARROLLO DEL PROYECTO

Elementos necesariosCaudal a ser conducido;Puntos de origen y término; -altura o carga disponible-Topografía de una franja de terreno para el trazado;

Actividades:Definición del trazadoTopografía de detalle de elementos importantes – interferencias.Dimensionamiento hidráulico; análisis del golpe de ariete.Dimensionamiento estructural; anclajes, pasos de ríos/quebradas.Dispositivos especiales:

Válvulas de aire; Válvulas de desagüe;Tanques rompe-presión;


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Trazado.El trazado debe ser efectuado luego de una inspección de campo realizada a lo largo de la franja de terreno.Se evitarán:

áreas pantanosas; que compliquen el acceso y los trabajos.áreas que puedan ser de interés social o público y que a criterio de las autoridades la conducción puede perjudicar su uso. vías de alto tráfico (dificultan el tráfico y en el futuro tanto el tráfico como el mantenimiento);Aeropuertos; áreas con fuerte pendiente (dificultan la construcción, la operación y mantenimiento)

Los niveles máximos y mínimos de las corrientes superficiales –que atraviesa la conducción- deben ser verificadosEn lo posible se debe seguir vías y caminos existentes, salvo que por consideraciones técnicas y económicas demuestren su inconveniencia.


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Trazado…En terrenos particulares, se debe definir una franja de protección o servidumbre, (de uso restringido) requerida para labores de construcción, operación y mantenimiento. El ancho de la franja queda definido por la requerida para su construcción y posterior mantenimiento.

El uso restringido: no podrán ser construidas obras permanentes; Puede haber tráfico, si es que la profundidad de la tubería lo permite.Acceso libre a técnicos de la empresa.

En general, en el trazado de la conducción se considerará:La condición de mínimo costo resultante de la construcción, operación y mantenimiento;La facilidad de realizar los trabajos de construcción, operación y mantenimiento;Garantía de estabilidad permanente de la obra;


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Trazado…El trazado de la conducción contendrá:

La franja de terreno en donde se localiza la conducción, con la identificación de los aspectos más importantes;Niveles máximos observados en los cursos de agua superficiales que son atravesados por la conducción;Los sondeos realizados, para establecer el tipo de suelo; ´Nivel freático;Nombre de propietarios de terrenos;Las obras especiales requeridas –pasos de ríos y quebradas – detalles especiales.Las vías de acceso para la operación y mantenimiento.


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Trazado…Deberá disponer sólo de tramos ascendentes o descendentes (con pendientes no menores al 0,5%). La longitud de tramos con pendiente menor al 1% no será menor a 200 m.

Azevedo señala: la pendiente debe ser mayor a 1/2000 D D= diámetro de la tubería en metrosSe recomienda trazados con tramos ascendentes largos con pequeñas pendientes seguidos de tramos descendentes cortos con mayor pendiente

Se deberá considerar la máxima deflexión que se puede lograr en cada junta o unión, en función del diámetro y tipo de tubería – ver catálogos- caso contrario se deberá considerar el uso de accesorios.


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Dimensionamiento.Para el dimensionamiento hidráulico, se puede utilizar la fórmula de Hazen Williams, aplicable para conducciones con diámetro mayores o iguales a 50 mm.

Hf= 1.215957 10^10 L Q^1.852 / C^1.852 D^4.87

Hf = pérdida de carga en mL = longitud del tramo en mQ = caudal de diseño en l/sC = coeficiente de transporte.D = diámetro interno de la tubería en mm

Para tuberías de menor diámetro:De Fair–Whipple-Hsiao: hf = K Q^1,88 / D^4,88

De Flamant: DJ/4 = K V7/D


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Consideraciones para el diseño:Se deben tener en cuenta lo siguiente:

I.La conducción debe ser diseñada para transportar el máximo caudal de diseño.

II.El objetivo del diseño deberá satisfacer la condición de mínimo costo.

III.Definir el diámetro en función de las pérdidas de carga, a partir del dato del caudal y el tipo de tubería.

IV.La línea piezométrica deberá estar por lo menos xx m por sobre la generatriz superior de la tubería o por lo menos xx m por sobre la superficie del terreno.

V.Combinación de tuberías- diseño económico.

VI.Coeficiente C de transporte: Dependiendo del tipo de tubería, del diámetro y del tiempo de servicio. Varía entre 120 y 140

VII.Verificar el diseño para el fenómeno del golpe de ariete.


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Consideraciones para el diseño:Se deben tener en cuenta lo siguiente:

VIII.Presiones máximas en las tuberías:I. Condiciones normales de operación: menor a la presión máxima de la tubería;

II. Condiciones de emergencia: no mayor a 1,5 veces la máxima presión de la tubería;

III. En condiciones de golpe de ariete, la presión mínima no será menor a la presión atmosférica.

IX.Velocidades máximas:I. En función del material:

I. PVC = 4,5 m/s

II. Hormigón: 4,5 – 5 m/s

III. HD 4 - 6 m/s


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Fenómeno del golpe de ariete.El “golpe de ariete” es un fenómeno muy importante que debe considerase en el diseño de una conducción.

El golpe de ariete es el choque violento que se produce sobre las paredes de las tubería cuando el movimiento del agua es suspendido brusca o repentinamente –cerrando una válvula.

La energía cinética se transforma en esfuerzos de compresión sobre el agua lo que implica un esfuerzo sobre las paredes de la tubería pudiendo llegar a colapsar.

Mecanismo del fenómeno:

1.El agua esta en movimiento, similar al movimiento de una tren con su vagones.

2.De pronto, violentamente, se cierra una válvula. La parte delantera del tren choca contra un muro.

3.La masa de agua que se encuentra atrás de la válvula, sigue en movimiento hacia adelante, igual que lo hacen los vagones de atrás.


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El golpe de ariete…4. La masa de agua “se comprime” al igual que los vagones que

comienzan a chocar uno a otro hasta llegar a golpear con toda la fuerza al primer vagón, con las consecuencias desastrosas.

5. El agua es incompresible, por tanto toda esa presión debe ser absorvida y soportada por las paredes de la tubería.

6. El agua regresará hacia atrás hasta que pierda su energía y volverá a descender, en un movimiento ondulatorio que no terminaría si es que la tubería no fuera elástica y no hubiera rozamiento que hace que finalmente el agua se aquiete.

7. El incremento de presión está dado por Ha = C x V /gHa = incremento de presión;

C = velocidad de propagación de la onda;

V = velocidad del agua


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El golpe de ariete…8. La velocidad C se calcula por la expresión de Allievi.

C = 1420 / (1 + K D/(E e))K = Módulo de elasticidad del agua;

D = diámetro de la tubería.

E = módulo de elasticidad del material de la tubería;

e = espesor de la tubería.

Material Módulo de elasticidad kg/cm2

Agua 2.10 x 10^8

Acero 2.1 x 10^10

HF 1.2 x 10^10

HD 1.7 x 10^10

AC 0,3 x 10^10

9. Tiempo crítico:T = 2L/C


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El golpe de ariete…9. Accesorios para disminuir el golpe de ariete:

A. Válvulas de alivio;

B. Chimeneas de equilibrio;

C. Cámaras de aire;

D. Válvulas de cierre lento.


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Estructuras complementarias.Válvulas de aire.En el trazado se impone que las líneas tengan ya sea tramos ascendentes o descendentes, es para forzar a que el aire que entra naturalmente en una tubería se acumule en algún punto. Estas bolsas de aire pueden llegar a impedir totalmente el flujo del agua, por lo que se debe colocar en dichos puntos válvulas de aire. Estas bolsas aire puede también desplazarse y provocar golpes repentinos y fuertes en la tubería, similar al golpe de ariete.

En el caso de que se produzca una rotura de la tubería y un vaciado violento, se producirá una presión negativa, que puede llegar a colapsar el tubo, siendo necesario prever la entrada de aire. Para lo cual también se colocan válvulas de aire, de doble acción.

El diámetro necesario se obtiene en base a las curvas de funcionamiento de las válvulas.


Curvas de funcionamiento de válvulas de admisión y expulsión de aire con orificio de 1’’ a 3”

Curvas de funcionamiento de válvulas de admisión y expulsión de aire con orificio de 4” a 12”.

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Válvulas de aire


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Estructuras complementarias.Válvulas de desagüe.

En cada punto bajo – un tramo descendente seguido de un tramp ascendente se debe colocar una descarga, para permitir la operación y mantenimiento de la línea de conducción.

Se debe garantizar una velocidad mínima que permita el arrastre se sedimentos en la tubería; o debe permitirse vaciar en un tiempo predeterminado por la importancia de la línea de conducción o por el caudal que puede soportar el cuerpo receptor de dicha agua.

Diámetro tubería Diámetro descarga

2” 2”

4 26 4

8 4 o 6”

10 6

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Estructuras complementarias.Válvulas de control

Permiten operar y mantener el sistema. Se ubican al inicio y fin de la línea de conducción y en puntos importantes de ella. Permite aislar dichos tramos para eventuales reparaciones. Permiten también controlar tanto el llenado como el vaciado de la tubería.Anclajes.

En todo cambio de dirección, ya sea vertical u horizontal; reducción de diámetros; se producen esfuerzos que tienden a desplazar a la tubería, lo cual debe ser impedido por los anclajes que equilibran las fuerzas actuantes.

Para pequeñas tuberías, de hasta 10” a una presión de hasta 100 m, no se requerirían bloques de anclajes (Arocha).


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Anclajes

Anclajes para redes de distribución.


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Estructuras complementarias.Tanques rompe-presión.

En algunas líneas de conducción es requerido ubicar estos tanques rompe-presión a fin de disminuir la presión estática y por consiguiente reducir costos y riesgos.

Se recomienda un tiempo de retención de 10 minutos.


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LÍNEAS DE IMPULSIÓN - BOMBEO

Componentes:Tubería de succión;Bomba;Tubería de impulsión;Accesorios y estructuras complementarias.

CRITERIOS DE DISEÑOCaudal;

No es práctico mantener períodos de bombeo de 24 horas, se debe incrementar el caudal en función de las horas de bombeo, hay que buscar el de mínimo costo.

Qb = QMD x 24/N N = número de horas de bombeo.

Diámetro de la tubería de impulsión.Se obtiene en primer lugar un rango de diámetros, de los cuales se escogerá el óptimo-desde el punto de vista económico.Fórmula de Bressel: D = k4 x1/4 Q1/2 k = varía entre 0,7 y 1,6; = 24/N


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Diámetro de la tubería de impulsión.Se obtiene en primer lugar un rango de diámetros, de los cuales se escogerá el óptimo-desde el punto de vista económico.Fórmula de Bressel: D = k4 x1/4 Q1/2 k = varía entre 0,7 y 1,6; = 24/N

Se calcula la altura manométrica para cada diámetro.

Se calcula las potencias de las bombas requeridas; en función del caudal y de la altura manométrica;Se calculas los consumos de energía;Costos anuales de amortización e intereses, Costos de operaciónComparando, se obtiene el diámetro de la tubería que será la más económica.


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Potencia de la bomba

HP = Q H / ( 76 )

Clase de tuberías.Igual que en el caso de línea de conducción a gravedad.

Válvulas:De aire;De PurgaDe retención.

Golpe de ariete.

ABASTECIMIENTO DE AGUASISTEMAS DE BOMBEO Y LÍNEAS DE IMPULSIÓN.

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LÍNEAS DE IMPULSIÓN: tuberías, válvulas y accesorios

Esfuerzos en las tuberías y anclajes.Las fuerzas principales que actúan en una conducción son;

Presiones internas; La presión estática una tensión en las paredes de la tubería; esto da lugar a la selección del material y clase de la tubería.

Fuerzas debidas a cambios de dirección y diámetro;Para que el agua cambie de dirección es necesario aplicarle una fuerza que origina una variación de presión que se traduce en una fuerza en las paredes de la tubería, lo que debe ser equilibrado mediante los anclajes o uniones suficientemente fuertes.

Temperatura;Estas sólo se consideran sólo cuando las tuberías están descubiertas. Se deberán dejar las juntas de expansión. El movimiento producido será igual al producto de la longitud del tubo por el coeficiente de dilatación y por el cambio de temperatura.

Cargas exteriores.

Se deben al material de relleno que cubre la tubería. Generalmente no se considera.

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