CURSO: ABASTECIMIENTO DE AGUA
TRABAJO:DISEO DE SIFNDOCENTE:Ing. ALUMNO:EFRAIN ALEJOS LOPEZ
Elas MORALES TREJO
HUARAZ - 2013.SIFN HIDRAULICO1. DEFINCION:Un sifn est formado
por un tubo, en forma de "U" invertida, con uno de sus extremos
sumergidos en un lquido, que asciende por el tubo a mayor altura
que su superficie, desaguando por el otro extremo. Para que el sifn
funcione el orificio de salida debe estar ms abajo de la superficie
libre, pues funciona por gravedad, y debe estar lleno de lquido ya
que esa conectividad permite que el peso del lquido en la rama del
desage sea la fuerza que eleva el fluido en la otra rama.
El sifn, en su variante invertida, la aplicacin ms comn de los
sifones invertidos es en los desages de los aparatos sanitarios
(fregaderos, lavabos, inodoros, etc.), para evitar que el mal olor
de las materias en putrefaccin del alcantarillado salga por el
orificio de desage de los aparatos. El modelo ms clsico (y el que
mejor funciona hidrulicamente) consiste en un tubo en forma de "S"
tumbada, de manera que, al desaguar el aparato, el agua llena las
dos ramas del tubo, hasta el nivel de desage de la segunda,
manteniendo un tapn de agua limpia que cierra la entrada de
olores.
Aprovechando las caractersticas hidrulicas de los sifones, estos
son ms eficientes que los vertederos libres para descargar el agua
que, por alguna maniobra equivocada aguas arriba, podra desbordarse
de un canal provocando cuantiosos daos a las estructuras, por
ejemplo, de canales de riego.
Para atravesar depresiones en el terreno
En esta aplicacin en realidad se utiliza lo que comnmente se
llama sifon invertido. Si un canal se encuentra a su paso con una
depresin del terreno natural que obligara a construir un terrapln
muy elevado o un puente, muy frecuentemente es ms conveniente
interrumpir el canal con un tubo en forma de "U", atravesando as la
depresin y retomando luego el canal cuando el terreno vuelve a
tener una cota adecuada. En este caso el funcionamiento hidrulico
se basa simplemente en el "principio de los vasos comunicantes". El
problema ms importante es que en la parte inferior del sifn puede
haber una presin hidrulica elevada, lo que requiere tuberas
reforzadas, capaces de resistirla.
Para alimentar surcos de riego
Es un sistema bastante utilizado puesto que permite retirar el
agua desde el canal terciario de riego sin daar el canal mismo, que
generalmente es de tierra. Generalmente estos sifones son de
polipropileno (PP) flexible, de un dimetro de entre 50 y 80 mm (2"
y 3").
2. TEORIA DEL SIFON IN VERTIDO:Para cruzar una depresin, se debe
recurrir a una estructura de cruce, en c ada caso se escoge la
solucin ms conveniente para tener un funcionamiento hidrulico
correcto, la menor prdida de carga posible y la mayor economa
factible. Los cuales pueden ser: Puente canal, Sifn invertido y Alc
antarilla2.1. Eleccin del tipo de estructura:Cuando el nivel del
agua es menor que la rasante del obstc ulo, se puede utiliz ar una
alcantarilla. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es
mayor que la rasante del obstculo, se puede utilizar como
estructura de cruce; un puente canal o un sifn invertido o la c
combinacin de am bos. El puente canal se utiliz ar cuando la
diferencia de niveles entre la ras ante del canal y la rasante de
la quebrada o ro, permita un espacio libre, suficiente para lograr
el paso del agua. El sifn invertido se utilizar si el nivel de la
superficie libre del agua es mayor que la ras ante del
obstculo.2.2. Concepto de sifn invertido:Los sifones invertidos son
conductos cerrados que trabajan a pres in, se utilizan para
conducir el agua en el cruce de un canal con una depresin
topogrfica o quebrada, tambin para pasar por debajo de un camino,
una va de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.
2.3. Criterios de Diseo:Las dimensiones del tubo se determinan
satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo,
ngulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida.En aquellos
sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se
requiere un mnimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos
parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m.
Si el sifn cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m
de cobertura.En el caso particular del cruce con una quebrada o ro
de rgimen caudaloso, deber hacerse un estudio de profundidad de
socavacin para definir la profundidad en la que deber cruzar o
enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada.La
pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la
pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5 %.Se recomienda
transicin de concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce
caminos principales en sifones con mayor o igual a 36 y para
velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.Con la finalidad de evitar
desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita
de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un
50% 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud
mnima de 15 m a partir de la estructura.Con la finalidad de
determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortos con
transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se
puede usar una velocidad de 1 m3/s, en sifones con transiciones de
concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5
m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin
control en la entrada.Las prdidas de carga por entrada y salida
para las transiciones tipo Cubierta Partida, se pueden calcular
rpidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente (Ver. Fig.
2.15) o con lo manifestando en los tems 2.4 y 2.5.A fin de evitar
remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas se
incrementan en 10%.En el diseo de la transicin de entrada se
recomienda que la parte superior de la abertura del sifn, est
ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta
profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el
diseo se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como
mnimo o tambin 3.En la salida la sumergencia no debe exceder al
valor Hte/6.En sifones relativamente largos, se proyectan
estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su
inspeccin y mantenimiento.En sifones largos bajo ciertas
condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifn opere a
flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de friccin menor
que el sumido en el diseo, por esta razn se recomienda usar n =
0.008 cuando se calcula las prdidas de energa.Con la finalidad de
evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin en
lugares donde el aire podra acumularse.Con respecto a las prdidas
de carga totales, se recomienda la condicin de que estas sean
iguales o menores a 0.30 m.Cuando el sifn cruza debajo de una
quebrada, es necesario conocer el gasto mximo de la creciente.Se
debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descarga
inmediatamente aguas arriba de la transicin de ingreso.Se
recomienda incluir una tubera de aeracin despus de la transicin de
ingresoSe debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe
presin en el desarrollo de la conduccin a fin de evitar el golpe de
ariete, que podra hacer colapsar la tubera (solo para grandes
caudales).Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de
Manning para el diseo hidrulicoSe debe tener en cuenta los
criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la entrada y salida del
sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.2.4. Clculo
hidrulico de un sifn:Para que cumpla su funcin el diseo del sifn,
se debe de proceder como sigue:
Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplic am os
la ecuac in de energa especfica:
Donde:
Zi : carga de posicin
Yi : carga de presi6n
Vi 2 /2g: carga de velocidad (g =9.81 m/s2)
H: carga Hidrulica
Se debe de cumplir que la AH debe de ser mayor a la suma de
todas las prdidas que se generen en el sifn. 2.5. Partes de un sifn
invertido:Los sifones invertidos, constan de las siguientes
partes:a. Transiciones de entr ada y salida:Como en la mayora de
los casos, la seccin del canal es diferente a la adoptada en el
conducto o barril, es necesario construir una transicin de entrada
y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la
segunda.En el diseo de una transicin de entrada y salida es
generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del
sifn un poc o ms abajo de la s uperfic ie normal del agua. Esta
prctica hace m nima la posible reduccin de la capacidad del sifn
causada por la introduccin del aire. La profundidad de sumergencia
de la abertura superior del sifn se recomienda que este comprendida
entre un m nimo de 1.1 h v y un mximo de 1.5 hv .hh = carga de
velocidad =v2/2gDonde:v: velocidad en el canal (m/s)g: aceleracin
gravedad (9.81 m/s)b. Rejilla de e ntr ada y Salida:La rejilla de
entrada se ac ostum bra hac erla c on varillas de 3/8" de dim etro
o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8" x 3/8") colocados a
cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27cm2 (1" x 1/2"). Su
objeto de la rejilla de entrada es el im pedir o dis m inuir la
entrada al c ond uc to de bas uras y objetos extraos que im pidan
el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para
evitar el ingreso de objetos extraos o personas.c. Tuber as de pre
sin:Son tuberas que transportan agua bajo presin. Para que los
costos de m antenim iento s ean bajos hay que c oloc ar s oportes y
los anc lajes de la tubera en pendientes estables y encontrar
buenos cimientos. No deber haber peligro de erosin por
desprendimiento de laderas, pero si acceso seguro para hacer
mantenimiento y reparacin.c.1. Mater ial usado par a tuber a de pre
sin:El ac ero c om erc ial fue fabric ado c on planc ha de ac ero
roladas y s oldada. En general las tuberas de acero que estn
protegidas por una capa de pintura u otra capa de proteccin pueden
durar hasta 20 aos. Adems, son efectivas en resistencia a impactos
pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas
metlicas. Evitar enterrar las tuberas de presin debido a que corren
el riesgo de corroerse.c.2 Velocidades en el conducto:Las
velocidades de diseo en sifones grandes es de 2.5 - 3.5 m/s,
mientras que en sifones pequeos es de 1.6 m/s. Un sifn se considera
largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el dim etro.d.
Funcionamiento del sifn:El sifn siem pre funciona a presin, por lo
tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos
Energa en 1 y 2:
Otras formulas usada es:
Polikous ki y Perelman
Donde:
vt : velocidad media en la tubera (m/s) D: dimetro de la tubera
de acero (m)El sifn funciona por diferencia de cargas, esta
diferencia de cargas debe absorber todas las prdidas en el sifn. La
diferencia de carga AZ debe ser mayor a las prdidas totales.e.
Vlvula de pur ga de agua y lodos:Se coloca en la parte ms baja de
los barriles, permite evacuar el agua que se quede almacenada en el
conducto cuando se para el sifn o para desalojar lodos. Para su
limpieza o reparacin, y consistir en vlvulas de compuerta
deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo
con el caudal a des alojar.3. DISEN O H IDRAULICO DEL SIFON3.1. Eje
mplo de dise o 1:C on la inform ac in topogrfic a de las c urvas de
nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, s e traz a el
s ifn y s e proc ede a dis ear la form a y dim ens iones de la
seccin del c onducto m as ec onm ic a y c onveniente, esto s e
obtiene despus de hac er varios tanteos, tom ando en c uenta las
prdidas de c arga que han de pres entars e.Las dim ens iones de la
s eccin trans vers al del c onducto dependen del c audal que debe
pas ar y de la velocidad. En sifones grandes se c ons idera una
veloc idad conveniente de agua en el barril de 2.5 - 3.5 m/s que
evita el depsito de azolves en el fondo del conducto y que no es
tan grande que pueda producir la erosin del material de los
barriles.C uando por las c ondic iones del problem a, no s ea pos
ible dar el des nivel que por es tas lim itac iones res ulten, s e
pueden reducir las prdidas , dism inuyendo prudentem ente la
velocidad del agua, teniendo en cuenta que c on esto se aum enta el
peligro de az olvam iento del sifn, por lo que habr nec esidad de m
ejorar las facilidades para lim piar el interior del barril.El sifn
func iona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe
absorber todas las prdidas en el sifn. La diferencia de c argas AZ
debe ser mayor que las prdidas totales . Para el s ifn partic ularm
ente que analiz am os, las secc iones del canal a la entrada y s
alida s on rectangulares y de las m ismas dim ensiones, adem s de
la mis ma pendiente 0.002, en c onsec uencia tendr el mismo tirante
y velocidad.H = E 1 E 2 = z 1 - z 2 = 3487.342 - 3478.76 =
8.582m3.1.1. C lculo del di metr o de la tuber a:Para encontrar el
conducto mas adecuado econmicamente y tcnicamente, se determinaron
s us dim ensiones en funcin de la desc arga que pas ar y de la
velocidad que res ulta. Consideremos una veloc idad de 3.6 m/s que
es te prximo o al intervalo entre 2.5 y 3.5 m/s que nos evita el
deps ito de lodo o basura en el fondo del conducto y que no s ea
tan grande que pueda producir eros in en la tubera, c on este valor
c ons eguir em os s u dim etro, y des pejando de la ec uacin de
continuidad:
Por lo que asumiremos la tubera de =26" cuyas caractersticas
hidrulicas sern: Su rea hidrulica ser:
Su perm etro m ojado:
Su radio hidrulico:
De la ecuacin de continuidad, la velocidad dentro de la tubera
de acero ser:
Su nmero de Reynolds
Se trata de un rgimen de flujo turbulento pero aun es aceptable
la velocidad.Adems, a la entrada y salida de la tubera de presin,
la velocidad con la que discurre y el tipo de flujo por el c anal
rectangular, de dimensiones 13m de solera y un 0.74m de tirante, s
er:Donde:Vcr = Velocidad en el canal rectangularAcr = rea mojada
del canal rectangular
La altura m nim a de ahogamiento a la entrada
Por lo tanto:La altura mnima ahogamiento en la salida Comparando
los resultados anteriores sern Hmin =1.018mHmin = 0.62mHmin =
0.89m
3.1.2. Clculo de las prdidas hidrulicas:
Las principales prdidas de carga que se presentan son:Prdidas
por transicin de entrada y salidaPrdidas en la rejillaPrdidas de
entradaPrdidas por friccin en el conducto o barrilPrdidas por
cambio de direccin o codosPrdidas por vlvulas de limpiezaEl caudal
de diseo que transportar el s ifn Acueducto, es de 1.25 m3/s en una
tubera de 26" (0.6604 m .) de dim etro. El des nivel que em palm ar
en sifn es de 8.582 m. cuya cota en la entrada 3,487.342 m.s.n.m. y
en la salida 3,478.760 m.s.n.m.i. Prdidas de carga por tr ansicin
de entr ada y salida:
Donde:hle = prdidas por transicin de entradahls = prdidas por
transicin de salidavt = velocidad en el sifnvcr = velocidad en la
seccin del canal rectangular (aguas arriba)vt = velocidad en el
sifnvcr .= velocidad en la seccin del canal rectangular (aguas
abajo)ii. Prdidas por re jillas:Cuando la estructura consta de
bastidores de barrotes y rejillas pare el paso del agua, las
prdidas originadas se c alculan con la ecuacin:
Las soleras de la rejilla son 9 y tienedimensiones de 2x1mx1/4
(0.051mx1mx0.0064m) separadas cada 0.1m.
Donde:El rea neta por metro cuadrado:A n = 1 m* 1 m 9 (1 m*
0.0064 m) = 0.942 m2Como el rea hidrulica (rea bruta) de la tubera
es 0.34253 m2 entonces el rea neta ser: An = 0.942x0.34253 = 0.3227
m2Entonces:
Donde:K = coeficiente de prdidas en la rejillaAn = rea neta de
paso entre rejillas.AS = rea bruta de la estructura y su soporte,
que quede dentro del rea hidrulica.
Vn = velocidad a travs del rea neta de la rejilla dentro del rea
hidrulica
Finalmente las prdidas por entrada y por salida sern:
iii. Prdidas de carga por entr ada al conducto:
Donde:
v = velocidad del agua en el barril.
Ke = coeficiente que depende de la forma de entradaPara entrada
con arista ligeramente redondeada Ke= 0.23
iv. Prdidas por friccin e n el conducto:Utiliz ando la form ula
de Hazen W illiams para una longitud de tubera de 379.60 m res
ulta:
Donde:R = radio hidrulicoC= 115 (coeficiente de rugosidad
relativa tomando las tablas de tuberas de acero usadas para valores
de Hazen Williams).Utiliz ando la form ula de D arc y W eis bac h y
c considerando una rugos idad f para el acero en el rango de
0.014-0.018.
v. Pr didas de car ga por cambio de dire ccin o codos:Una frmula
muy empleada es:
Donde: = Angulo de deflexi nKc= coeficiente para codos comunes =
0.25
vi. Prdidas por vlvulas de limpieza:Las prdidas de carga que s e
originan en los sifones por el hecho de insertar lateralmente una
tubera en la que se coloca una vlvula para desage y limpieza se
deben considerar como prdidas por bifurcacin de tuberas.Esta prdida
existe aun cuando una de las partes est cerrada por la vlvula, ya
que se forman turbulencias dentro de la tubera, pero en vista de
que se considera muy pequea y no se ha podido evaluar se
desprecia.Finalmente la suma de todas las prdidas producidas en el
sifn es:En resumen:La carga hidrulic a dis ponible s upera a las
prdidas totales en el s ifnH = 8.582m > prdidas = 7.7212mPor lo
tanto se demuestra que el sifn estar correctamente diseadoH -
prdidas = 0.8608m.
FIGURA 1
4. CALCULO DEL DISEO DE SIFON:CONCLUSIONES: Habiendo
desarrollado el tema de sifn llegamos a la conclusin que es muy
importante conocer los pormenores de ese tema , debido a que es muy
importante realizar estos trabajos para conducir agua de una
determinada zona a otra sin ningn problema atravesando quebradas
muy profundas. Esto suele suceder en caso de no poder realizar una
trasvase o tubera area, que hoy en da se realizan, o en lugares
donde la quebrada es muy escasa como para pasar una carretera.
Se a llegado a la conclusin que es muy valioso la informacin
encontrada lo cual servir para incrementar nuestros conocimientos
sobre el tema.
FACULTAD DE INGENIERA
CIVIL
HUARAZ ANCASH
