Departamento: Ciencias de la Tierra INGENIERÍA CIVIL Abastecimiento de Agua

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ABASTECIMIENTO DE AGUA.

|1 Estudios y trabajos previos 1.1 Elementos de un proyecto de abastecimiento.  Obra de captación.  Línea de conducción.  Tanque de regulación o de almacenamiento.  Línea de alimentación.  Red de distribución.  Planta potabilizadora  Planta de bombeo. 1.2 Estudios preliminares Preliminares  Políticos (datos históricos)  Coordenadas geográficas  Estudios socio-económicos  Estudio de factibilidad Estudios de campo  Geo-hidrológicos (topográficos, climatológicos)  Aforos y muestras de agua  Sondeos  Características de la energía eléctrica  Punto de toma de corriente  Zonas de crecimiento futuro  Materiales y mano de obra disponible.  Fletes y pasajes  Plano topográfico  Plano predial  Estructura de pavimentos  Plano de instalaciones de agua existentes  Plano de alcantarillado existente  Plano de instalaciones eléctricas  Plano de instalaciones telefónicas  Plano de instalaciones de gas Laboratorio  

Análisis de muestras de agua De mecánica de suelos Pág.| 1

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De diseño      

Periodo económico Estudio de la dotación de agua Estudio demográfico Población de proyecto Elección de la fuente de abastecimiento Elección del tipo de tubería (Acero, Asbesto, Plástico, ect.)

Elaboración del proyecto  Obra de captación (Línea de conducción)  Obra de regulación o de almacenamiento  Línea de alimentación (Red de distribución)  Potabilización (Equipos e instalaciones electromecánicas)  Tomas domiciliarías  Hidrantes contra incendio  Especificaciones  Financiamiento  Memoria descriptiva 1.3 Determinación de la población de proyecto Censos INEGI (5 datos) Métodos  Aritmético  Geométrico o Incremento medio anual en porciento o Interés compuesto  Malthus  Extensión gráfica -

Hoja electrónica -

Poblacion Futura, Resumen:

Año 1 930 1 940 1 950 1 960 1 970 1 980 1 990

Población 4 716 7 274 9 496 14 245 26 318 50 000 80 000

M. Aritmético M. Geométrico M. Geométrico M. Malthus a) Ima b) Int comp

38 391 50 464

63 137 80 464

40 450 62 172

40 763 63 137

M. Ext. Graf.

50 000 80 000 Pág.| 2

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1.4 Estudios de dotación y consumo Dotación. Es la cantidad de agua que se asigna a cada persona por día y se expresa en l/h/d Usos: beber, preparación de alimentos, aseo personal, lavado de utensilios y ropa, aseo de la casa, riego de jardines, protección contra incendios, instalaciones públicas, usos comerciales, fugas, desperdicios, etc.

Variaciones en el consumo.  Mensuales  Diarias  Horarias

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Variaciones en el gasto  Medio anual Qm.a. = [ P*Dotación ] / (86 400 s)  Máximo diario Qm.d. = [C.V.D.] * Qm.a. o CVD [ 120% - 180%, - 200%] o Cálculo de la capacidad de la fuente. o Calculo de la línea de conducción. o Calculo de capacidad de la planta potabilizadora. o Capacidad del Tanque de regulación. 

Máximo horario Qm.h. = [C.V.H.] * Qm.d. o CVH [150%] o Calculo de la red de distribución.

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Periodo económico Es el lapso de tiempo en que se espera que los ingresos y los egrese sean más o menos iguale, o mayores los ingresos que los egresos. Datos: Anualidad (costo de dinero). Tarifa mensual. Periodo por estudiar (n).

1.5 Integración de los datos del proyecto. Periodo económico Pág.| 5

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| 2 Obras de captación. 2.1 Fuentes de abastecimiento 2.2 Diseño de obras de captación pluvial 2.3 Diseño de obras de captación superficial. 2.4 Diseño de obras de captación sub-terranea. Obras de captación. Es la estructura o estructuras que nos permiten tomar en las mejores condiciones posibles, el agua de la fuente elegida. Fuentes de abastecimiento de agua. a) Agua de lluvia. b) Aguas superficiales. a. Ríos y arroyos. b. Lagos o lagunas c. Embalses c) Agua subterránea. a. Manantial b. Agua freática i. Galerías filtrantes. ii. Pozos radiales o Ranney iii. Sistema de Puyones (Well point) c. Pozos artesianos. d. Pozos profundos.

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| 3 Línea de conducción. Estas obras se requieren para conducir o llevar el agua captada desde la fuente hasta el lugar de su almacenamiento, de su tratamiento o distribución. Tipo: Gravedad: medios utilizados; Tuberías Canales abiertos o cubiertos. Bombeo: medios utilizados; Tuberías.

Canales. En el cálculo de canales las secciones empleadas son la trapecial, rectangular y semicircular. Aunque las más económica es la semicircular, las más práctica y común es la trapecial. En general los canales se revisten de concreto armado, colado en el lugar de la obra, pero pueden ser de mampostería o de tierra. La formula más comúnmente empleada para calcular el gasto es la de Chezy con coeficientes de Manning o de Bazin: Continuidad Chezy

Q=AV V = C * Raíz( r * S) C = (1/n) * r ^(1/6) V = (1/n) * r^(2/3) * S^(1/2)

Manning Chezy - Manning

C = 87 / [ 1 + m/Raíz( r ) ] Bazin V = (87 * r ) / [ m + r^(1/2) ] S^(1/2)

Chezy – Bazin

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Valores de n dados por Horton para ser empleados en las formulas de Kutter o Manning: Para canales en: Tierra, rectos y uniformes. . . 0.025 Roca, lisos y uniformes. . . 0.033 Roca con salientes y sinuosos . 0.040 Revestidos de concreto. . . 0.014 a 0.016 Mampostería con cemento. . . 0.020 a 0.025 Valores de m: Para canales en: Tierra. . . . . . . 1.30 Concreto con paredes lisas. . . . 0.16 Paredes de canto rodado o roca con salientes. 0.46 Paredes mixtas. . . . . 0.55 Debe aprovecharse al máximo la pendiente disponible pero siempre limitada por la velocidad máxima compatible con la erosión. Si se pasan estos valores se deben establecer saltos espaciados para perder altura.

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Tuberías. Cuando en las líneas de conducción por gravedad se eligen tuberías, éstas pueden trabajar como canal o a tubo lleno, es decir a presión, dependiendo de las características topográficas en la línea. Velocidades mínimas para canales: Para canales: Canales

Velocidad Mín. cm.p.s

Material

Asbesto-cemento Concreto liso Acero galvanizado Fierro Fundido Acero sin revestimiento Acero con revestimiento Plástico P.V.C.

50

Velocidad Máx. m.p.s

5.0

Rugosidad Manning

0.010 0.012 0.014 0.013 0.014 0.011 0.009

La selección en cuanto a resistencia y material del tubo, depende de las presiones, de las características corrosivas o incrustantes del agua, del grado de resistividad del suelo, mano de obra, ubicación del lugar. Si la tubería trabaja a presión, el cálculo hidráulico se basará en aprovechar íntegramente el desnivel topográfico entre la entrada y la salida del agua.

 3.21 Q  n   D 1   2 S  

Diámetro teórico.

3 8

Q: (m3p.s.) D: diámetro (m) n: coeficiente de rugosidad S = H (topográfica) / L (línea) : pendiente hidráulica. Pérdida por fricción:

h

10.3  n 2  L  Q 2 16 3

D

h 10.3  n 2  16 L  Q2 D 3 K

10.3  n 2 16 3

D

De este diámetro se tomarán los comerciales inmediatamente superior e inferior y se calculará la longitud de cada diámetro según la expresión:

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L2 

H  K1  Q 2  L Q 2  K 2  K1 

L1 

H  K2  Q2  L Q 2  K1  K 2 

En el perfil de la línea de conducción se traza el curso de la línea piezométrica cuyo final coincidirá con la superficie libre del agua en el depósito como confirmación de que se ha aprovechado íntegramente la carga disponible. Como medida de seguridad del buen funcionamiento y protección a la línea, se instalaran accesorios en dicha línea de conducción, como válvulas de admisión y expulsión de aire en los puntos altos del perfil o a cada 1.0 o 1.5 Km como máximo cuando el terreno sea más o menos plano. El diámetro de esta válvula de aire se determinará según el gasto y la presión de trabajo en el punto en que se instalen, empleando gráficas que para el objeto han elaborado los fabricantes. Así mismo se instalaran desagües en los puntos bajos cuando la operación o la zona que se atraviesa lo indican. Los diámetros de desagües deben ser ¼ a 1/3 del diámetro de la conducción. Cuando los desniveles son fuertes y van más allá de los 50 m, se intercalan en estas tuberías estructuras que ponen en contacto el agua con la atmósfera rompiendo así la presión; se llaman por esta función, cajas rompedoras de presión y se colocan generalmente a cada 50 m más o menos de desnivel. A veces estas cajas son sustituidas por válvulas reductoras de presión.

Conducción por Bombeo.

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Línea de conducción por gravedad Ejemplo. Para las condiciones indicadas en la figura se pide determine los diámetros a utilizar: Qmáx d. = 120 l.p.s. L = 3 000 m H = 30 m n = 0.010 (tubería de A.C.)

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Línea de conducción por gravedad Ejemplo. Para las condiciones indicadas en la figura se pide determine los diámetros a utilizar: Qmáx d. = 120 l.p.s. L = 3 000 m H = 30 m n = 0.010 (tubería de A.C.) Línea de Conducción por Gravedad L Estática

S.L.A.

Fuente

Línea

Hf1

Piezo

métric a Hft = 30.00 m

Hf2

Almacenamiento

L1, Diam1, f1

L2, Diam2, f2 3 000.00

Diámetro tentativo:

 3.21 Q  n   D 1   2 S  

3 8

D=[ ((3.21*0.120*0.010)/[(30/3000)^(1/2)] ]^(3/8) D = 0.2949 m (11.61 pul)

Diámetros comerciales: 12” (0.3048 m), 10” (0.254 m)

h

10.3  n 2  L  Q 2 16 3

D

h 10.3  n 2  16 L  Q2 D 3 K

10.3  n 2 16 D 3

K12 = (10.3*0.010^2)/[(0.3048)^(16/3)] K12 = 0.5818 m. K10 = (10.3*0.010^2)/[(0.254)^(16/3)] K10 = 1.5384 m.

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Qmáx d. = 120 l.p.s. K12 = 0.5818 m.

L = 3 000 m K10 = 1.5384 m.

H  K1  Q 2  L L2  2 Q  K 2  K1 

H = 30 m

L1 

n = 0.010 (tubería de A.C.)

H  K2  Q2  L Q 2  K1  K 2 

L12 = (30-1.5384*0.12^2*3000)/(0.12^2*(0.5818-1.5384)) L12 = 2 646.74 m L10 = (30-0.5818*0.12^2*3000)/(0.12^2*(1.5384-0.5818)) L10 = 353.27 m Perdida por fricción ( h ). 2

K = h / (L Q ) H12 = K12*L12* Q

2

H12 = 0.5818*2 646.74*(0.12)^2 H12 = 22.17 m H10 = K10*L10* Q

2

H12 = 1.5384*353.27*(0.12)^2 H10 = 7.83 m Pendiente hidráulica. S = H/L S10 = 7.83/353.27 = 0.02216 = S10 = 2.21% S12 = 22.17/ 2 646.74 = 0.00837 = 0.837% S12 = 0.837% Resumen: Diámetro: Diámetro:

10”, 12”,

L=2 646.74 m, L= 353.27 m, LT = 3000 m

H = 7.83 m, H = 22.17 m HT = 30.00 m

S = 2.21% S = 0.837%

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Conducción por Bombeo. Cuando la fuente de abastecimiento se encuentra a un nivel inferior al depósito o a la población, el agua captada se impulsa por bombeo. Cuando se llega a este caso, se elige el diámetro adecuado mediante un análisis económico en el que se eligen 3 o 4 diámetros posibles, seleccionando el que arroje el menor costo anual de operación. El costo de operación está integrado por dos componentes: el costo anual de la mano de obra incluida la adquisición, de la tubería y el costo anual del consumo de energía eléctrica. El espesor de las paredes de los tubos depende en este caso no solamente de la calidad del agua, de las características del terreno y de la presión sino también de la sobrepresión producida por el “golpe de ariete”. Además de los accesorios mencionados anteriormente (excepto cajas rompedoras de presión), para protección del equipo de bombeo y de la tubería de conducción contra los efectos del golpe de ariete, se recurre a válvulas aliviadoras de presión, torres de oscilación, chimeneas de equilibrio, cámaras neumáticas.

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Criterios para definir la localización de una línea de conducción. 1. Evitar en lo posible las deflexiones tanto en planta como en perfil. 2. Seguir la línea que evite la necesidad de construir puentes, tuneles, tajos, puentes-canal,etc. 3. Tratar de que la línea se pegue al máximo a la línea piezométrica para hacer que la tubería trabaje con las menores cargas posibles, sin que esto quiera decir que se tenga que seguir una pendiente determinada que obligaría a desarrollar el trazo de la línea. 4. Si existe una altura entre la fuente de abastecimiento y el tanque, o la población, si es bombeo directo, debe llevarse la línea a esta altura para bajar de allí por gravedad de la tubería y tener el menor tramo posible por bombeo, o para trabajar a menor presión si continúa por bombeo. Caudal de Bombeo. Qbombeo = C*Qmáx diario. C: es un coeficiente de bombeo que depende del tiempo de bombeo. Para 24 hrs de bombeo C = 24/24 = 1.0 Para 20 hrs de bombeo C = 24/20 = 1.2 Para 16 hrs de bombeo C = 24/16 = 1.5 Para 12 hrs de bombeo C = 24/12 = 2.0 Para 8 hrs de bombeo C = 24 / 8 = 3.0 Como se ve, mientras menor es el tiempo de bombeo que se quiera emplear, mayor será el gasto por conducir. Para determinar el diámetro de una tubería de conducción por bombeo existen tres procedimientos: 1. Procedimiento razonado. 2. Procedimiento mecánico 3. Procedimiento gráfico.

Procedimiento razonado. En este procedimiento se hace un análisis económico de varios diámetros que se supongan tienen la capacidad y eficiencia competitiva para llevar el gasto requerido. Son muchos los díámetros que pueden llevar ese gasto, pero, ¿cuál es el más económico?. Un gasto determinado, lo pueden conducir muchos diámetros. Para diámetros menores que el requerido las pérdidas de carga son mayores y por tanto el consumo de energía es mayor; pero el costo de instalación de la tubería es menor. Para diámetros mayores que el requerido el consumo de energía es menor por ser menores las pérdidas de carga; pero el costo de instalación y del suministro es mayor, persistiendo siempre la incertidumbre del diámetro conveniente. No obstante, existe un diámetro en el que se logra que la combinación del costo del consumo de energía y el costo de operación de la línea. Este diámetro se denomina técnicamente como “diámetro económico de bombeo” que da la solución óptima. Este análisis está fundado en dos componentes que integran el costo: el costo anual de la tubería instalada y el costo anual del consumo de energía eléctrica. Pág.| 17

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

.

Costo anual de la tubería. o Mano de obra o Adquisición de la tubería o o

Anualidad (pago de interés y capital) a = r + r / [ (( 1 + r) ^ n ) – 1]. a: anualidad, r: interés anual, n: número de anualidades. Costo anual del consumo de energía eléctrica

P =  Q H / (76  ) P: Hp,

: Kg/m3,

3

Q: m .p.s.,

: eficiencia del equipo

H = ( S.L.Tanque + htop + Nivel dinámico + hf + %hf ). 1HP = 0.7457 Kw*hr. / hrs de bombeo por año. $ 0.66/Kw/hr Básico $ 0.99 / Kw/Hr Intermedio $ 2.64 / KW/Hr Execdente o

Sep/2012

Sobre presión por golpe de ariete.

hga = 145 V / [ Raiz( 1 + ( Ea * d ) / ( Et * e ) ) ]. hga: sobrepresión por golpe de ariete en m. V: velocidad del agua en m.p.s. 2

Ea: Módulo de elasticidad del agua = 20 670 Kg/cm . Et: Módulo de elasticidad del material con que está fabricado en tubo. 2

Para A.C. Et = 328 000 Kg/cm . 2

Para Acero, Et = 2 100 000 Kg/ cm . Para PAD, Et = 1.4E4 Kg/cm2 d: diámetro interior de la tubería en cm e: espesor de la pared de la tubería en cm Nota: la velocidad del agua para un diámetro económico gira alrededor de 1.20 m.p.s.

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Ejemplo: Línea de conducción por bombeo. Determine el diámetro económico de bombeo de una línea de conducción que va a llevar un gasto de 100 l.p.s. a través de 2 500 m. de longitud en las condiciones que se indica en la figura. Considere que se utilizará tubería de asbesto cemento nuevo cuyo valor de n es 0.010.

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Solución.

Datos:

Q = 100 l.p.s.,

L = 2 500 m.

Q = V * A,

considerando V = 1.20 m/s A=Q/V A = 0.10 / 1.20

 * D2 / 4

Tubería. A.C.

n = 0.010

= 0.10/1.20

D = Raiz( (4 * 0.10/1.2) /  ) D = 0.3257 m = 12.82 pulg Tomamos:

D1 = 0.254 m. (10”) D2 = 0.3048 m. (12”) D3 = 0.3556 m. (14”)

Análisis del diámetro de 0.254 m (10”) de tubería de A.C. con n = 0.010. Pérdida por fricción. hf = K*L*Q^2

K = (10.3*n^2) / [D^(16/3)]. K10 = (10.3*(0.010^2)) / [ (0.254^(16/3) ]. K10 = 1.54 m hf =1.54*2 500*(0.1^2) hf = 38.5 m. Pérdidas menores. Para obtener las pérdidas menores se puede considerar una cantidad que fluctúa entre 3 y 10% de hf según sea el número de deflexiones y condiciones de salida de la bomba y llegada al tanque, así como instalaciones en la línea, etc. Para este caso se considera un 5% de hf. Pérdidas menores = 0.05 * (38.5) = 1.93 m. Pérdida de carga total hft = hf + 5%hf.

hft = 38.5 + 1.93

hft = 40.43 m.

Desnivel total. El desnivel desde el nivel dinámico ND del pozo hasta la superficie libre del agua en el tanque (S.L.A.) es igual al desnivel topográfico Dt más la profundidad del nivel dinámico ND., esto es: hdt = Dt + prof. ND hdt = 50 + 4.8 + 3.0 = Carga total de bombeo. H = hdt + hft

H = 57.80 + 40.43 =

hdt = 57.80 m.

H = 98.23 m.

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Potencia requerida para el equipo de bombeo. Potencia del equipo de bombeo:

P =  Q H / (76  )

considerando  = 90%

P = 1000 kg/m3 * 0.10 * 98.23 / (76*0.90)

P = 143.61 HP Consumo de energía eléctrica. E = HP * 0.7457 Kw h * (Hrs/año). E = 143.61 * 0.7457 * (365*24)

E = 938 108.20 Kw – hr. Consumo de energía eléctrica. = E * $Kw-hr E = 938 108.20 Kw hr * $5.80

E = $ 5 441 027.56 Elección de la clase de tubería. Dada la carga de trabajo de la tubería y considerando la sobrepresión por golpe de ariete, suponemos una tubería de asbesto-cemento clase A-14 para el diámetro de 250 mm (10”) Revisión de la clase de la tubería considerando la sobrepresión producida por el fenómeno denominado “golpe de ariete” . Sobrepresión provocada por el golpe de ariete.

hga 

145V E d 1 a Et  e

Ec.4

Ea = módulo de elasticidad del agua = 20 670 kg/cm2. Et = módulo de elasticidad del tubo (para A. C. = 328 000 Kg/cm2) e = espesor de la pared de la tubería en cm d = diámetro de la tubería en cm Para este ejemplo: Q = V*A,

V = Q/A

Q = 0.10 m3/s,

d = 0.254 m

V = 0.10 / (  * ( 0.254^2 ) /4 ) V = 1.9735 m/s Para una tubería de AC, A-14, e= 2.85 cm Evaluando hga. hga = ( 145 * 1.9735 ) / Raiz[ 1 + ( (20 670 * 25.4) / ( 328 000 * 2.85)) ] hga = 228.99 m De esta sobrepresión un porcentaje es absorbido por los elementos que desvanecen considerablemente el efecto de este golpe de ariete como son las válvulas aliviadoras de presión, cámaras de aire, Pág.| 22

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chimeneas de equilibrio y otras según las dimensiones de la conducción, de las condiciones de funcionamiento que pueden ser complejas, de la topografía, etc. En el caso de las válvulas aliviadoras de presión éstas absorberán el 80% del golpe de ariete por lo que la tubería absorberá el 20% restante. La anterior consideración es válida por estar respaldada por obras que funcionan en muchos lugares de la república y en las que en su diseño y cálculo fue aplicado el criterio asentado; es pues un dato experimental comprobado. Presión absorbida por la tubería: hs = 20%(228.99 m) = hs = 45.80 m Por lo que la carga total en el momento del golpe de ariete será: HT = Desnivel topográfico + pérfidas por fricción totales + sobrepresión por golpe de ariete HT = Dt + hft + hga. HT = 50 + 40.43 + 45.80 HT = 136.23 m esta presión es menor que 140 m, que es la presión que técnicamente se considera debe trabajar la tubería da Ac clase A-14 por lo tanto es suficiente. [Manual técnico de tuberías pavco.pdf] Costo de la instalación de la tubería de AC Clase A-14 de 250 mm (10”)

2. COSTO DE LA TUBERÍA INSTALADA DE A.C. CLASE A-14 DE 250 MM (10") f . Núm. 1

2

3 4 5 6 7 8

Concepto Excavación a mano para zanja en material clase A en seco hasta 2.00 m de profundidad. Excavación a mano para zanja en material clase B en seco hasta 2.00 m de profundidad. Plantilla apisonada con pison de mano en zanjas con material clase A y/o B Relleno apisonado y compactado con agua en capas de 0.20 m de espesor. Relleno a volteo con pala de mano Atraques de concreto simple f´c= 100 kg/cm2 Instalación, junteo y prueba de tubería de A.C. clase A-10 de 300 mm (12")f . Suministro de tubería de A.C. clase A-14 de 250 mm (10")f .

Unidad 3

Cantidad 0.3840

Precio U $ 183.61

Importe $ 70.51

3

0.5760

$ 262.29

$ 151.08

3

0.0800

$ 367.20

$ 29.38

3

0.4800

$ 259.60

$ 124.61

3

0.4800

$ 91.80

$ 44.06

3

0.0004

$ 6,016.53

$ 2.41

m

1.0000

$ 217.32

$ 217.32

m

1.0000

$ 3,817.68

$ 3,817.68

m

2 500.00

m .

m .

m . m . m . m .

$4,457.04 Costo total de la tubería instalada

$4,457.04 $11,142,599.73

Costo total de la instalación $ 11 142 325.00

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Anualidad,

ar

r

1  r .n  1

Ec.5

Periodo de recuperación del capital: 10 años Interés pagado 10% a = 0.10 + 0.10 / [ (1+0.10)^10 – 1]

a = 0.162745

por lo que la anualidad (costo anual de la tubería) será: 0.16274 * ($ 11 142 325.00) = $ 1 813 357.00

Costo anual de operación. Costo anual de energía $ 5 441 027.00 Costo anual de la tubería instalada $ 1 813 357.00

Costo total anual de operación $ 7 254 384.00

Análisis del diámetro de 0.3048 m (12”) de tubería de A.C. con n = 0.010. Pérdida por fricción. hf = K*L*Q^2

Pérdidas menores

K = (10.3*n^2) / [D^(16/3)]. K12 = (10.3*(0.010^2)) / [ (0.3048 ^ (16/3) ]. K12 = 0.5818 m hf =0.5818*2 500*(0.1^2) hf = 14.545 m. 0.05*14.545 = 0.727 %hf = 0.727 m. Pérdida total de carga

hft = 15.272 m

Desnivel desde el nivel dinámico (ND) del pozo hasta la S.L.A en el tanque. h = 4.80 + 3.00 + 50.00 = 57.80 h = 57.80 m Carga total de bombeo = H = h + hft = 57.80 + 15.272 =

H = 73.072m

Pág.| 24

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Potencia del equipo de bombeo:

P =  Q H / (76  )

considerando  = 90%

P = 1000 kg/m3 * 0.10 * 73.072 / (76*0.90)

P = 106.85 HP Consumo de energía eléctrica. E = HP * 0.7457 Kw h * (Hrs/año). E = 106.85 * 0.7457 * (365*24)

E = 697 979.67 Kw – hr. Consumo de energía eléctrica. = E * $Kw-hr E = 697 979.67 Kw hr * $5.80

E = $4 048 282.11 Elección de la clase de tubería. Dada la carga de trabajo de la tubería y considerando la sobrepresión por golpe de ariete, suponemos una tubería de asbesto-cemento clase A-10 para el diámetro de 304.8 mm (12”) Sobrepresión provocada por el golpe de ariete.

Para este ejemplo: Q = V*A,

V = Q/A

hga 

145V E d 1 a Et  e

Q = 0.10 m3/s,

Ec.4

d = 0.3048 m

V = 0.10 / (  * ( 0.3048^2 ) /4 ) V = 1.37 m/s Para una tubería de AC, A-10, e= 2.5 cm Evaluando hga. hga = ( 145 * 1.37 ) / Raiz[ 1 + ( (20 670 * 30.48) / ( 328 000 * 2.5)) ] hga = 149.39 m

Presión absorbida por la tubería: hs = 20%(149.39 m) = hs = 29.88 m Por lo que la carga total en el momento del golpe de ariete será: HT = Desnivel topográfico + pérfidas por fricción totales + sobrepresión por golpe de ariete HT = Dt + hft + hga. HT = 50 + 15.272 + 29.95 HT = 95.22 m esta presión es menor que 100 m, que es la presión que técnicamente se considera debe trabajar la tubería da AC clase A-10 por lo tanto es suficiente.

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2. COSTO DE LA TUBERÍA INSTALADA DE A.C. CLASE A-10 DE 300 MM (12") f . Núm. 1

2

3 4 5 6 7 8

Concepto Excavación a mano para zanja en material clase A en seco hasta 2.00 m de profundidad. Excavación a mano para zanja en material clase B en seco hasta 2.00 m de profundidad. Plantilla apisonada con pison de mano en zanjas con material clase A y/o B Relleno apisonado y compactado con agua en capas de 0.20 m de espesor. Relleno a volteo con pala de mano Atraques de concreto simple f´c= 100 kg/cm2 Instalación, junteo y prueba de tubería de A.C. clase A-10 de 300 mm (12")f . Suministro de tubería de A.C. clase A-10 de 300 mm (12")f .

Unidad

Cantidad

Precio U

Importe

3

0.4200

$ 183.61

$ 77.12

3

0.6300

$ 262.29

$ 165.24

3

0.1000

$ 367.20

$ 36.72

3

0.7000

$ 259.60

$ 181.72

3

0.7000

$ 91.80

$ 64.26

3

0.0005

$ 6,016.53

$ 3.01

m

1.0000

$ 232.04

$ 232.04

m

1.0000

$ 3,837.81

$ 3,837.81

m .

m .

m . m . m . m .

$4,597.92 Costo total de la tubería instalada

m

2 500.00

$4,597.92 $11,494,792.91

Anualidad 0.162745 * $ 11 494 792.91 = $ 1 867 329.10

Costo anual de operación. Costo anual de energía $ 4 048 282.11 Costo anual de la tubería instalada $ 1 867 329.10

Costo total anual de operación $ 5 915 611.21

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Análisis del diámetro de 0.3556 m (14”) de tubería de A.C. con n = 0.010. Pérdida por fricción. hf = K*L*Q^2

Pérdidas menores

K = (10.3*n^2) / [D^(16/3)]. K12 = (10.3*(0.010^2)) / [ (0.3556 ^ (16/3) ]. K12 = 0.2557 hf =0.2557*2 500*(0.1^2) hf = 6.39 m. 0.05*6.39 = 0.32 %hf = 0.32 m. hft = 6.71 m

Pérdida total de carga

Desnivel desde el nivel dinámico (ND) del pozo hasta la S.L.A en el tanque. h = 4.80 + 3.00 + 50.00 = 57.80 h = 57.80 m Carga total de bombeo = H = h + hft = 57.80 + 6.71 =

H = 64.51m

Potencia del equipo de bombeo:

P =  Q H / (76  )

considerando  = 90%

P = 1000 kg/m3 * 0.10 * 64.51 / (76*0.90)

P = 94.31 HP Consumo de energía eléctrica. E = HP * 0.7457 Kw h * (Hrs/año). E = 94.31 * 0.7457 * (365*24)

E = 616 064.23 Kw – hr. Consumo de energía eléctrica. = E * $Kw-hr E = 616 064.23 Kw hr * $5.80

E = $3 573 172.53 Elección de la clase de tubería. Dada la carga de trabajo de la tubería y considerando la sobrepresión por golpe de ariete, suponemos una tubería de asbesto-cemento clase A-10 para el diámetro de 355.6 mm (14”) Sobrepresión provocada por el golpe de ariete.

Para este ejemplo: Q = V*A,

V = Q/A

hga 

145V E d 1 a Et  e

Q = 0.10 m3/s,

Ec.4

d = 0.3556 m

V = 0.10 / (  * ( 0.3556^2 ) /4 ) V = 1.0069 m/s

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Para una tubería de AC, A-10, e= 3.1 cm Evaluando hga. hga = ( 145 * 1.00 ) / Raiz[ 1 + ( (20 670 * 35.56) / ( 328 000 * 3.1)) ] hga = 110.47 m Presión absorbida por la tubería: hs = 20%(110.47 m) = hs = 22.09 m Por lo que la carga total en el momento del golpe de ariete será: HT = Desnivel topográfico + pérfidas por fricción totales + sobrepresión por golpe de ariete HT = Dt + hft + hga. HT = 50 + 6.71 + 22.09 HT = 78.80 m esta presión es menor que 100 m, que es la presión que técnicamente se considera debe trabajar la tubería da AC clase A-10 por lo tanto es suficiente.

2. COSTO DE LA TUBERÍA INSTALADA DE A.C. CLASE A-10 DE 350 MM (14") f . Núm. 1

2

3 4 5 6 7 8

Concepto Excavación a mano para zanja en material clase A en seco hasta 2.00 m de profundidad. Excavación a mano para zanja en material clase B en seco hasta 2.00 m de profundidad. Plantilla apisonada con pison de mano en zanjas con material clase A y/o B Relleno apisonado y compactado con agua en capas de 0.20 m de espesor. Relleno a volteo con pala de mano Atraques de concreto simple f´c= 100 kg/cm2 Instalación, junteo y prueba de tubería de A.C. clase A-10 de 350 mm (14")f . Suministro de tubería de A.C. clase A-10 de 350 mm (14")f .

Unidad 3

Cantidad 0.4680

Precio U $ 183.61

Importe $ 85.93

3

0.7020

$ 262.29

$ 184.13

3

0.1000

$ 367.20

$ 36.72

3

0.7000

$ 259.60

$ 181.72

3

0.7000

$ 91.80

$ 64.26

3

0.0006

$ 6,016.53

$ 3.61

m

1.0000

$ 275.04

$ 275.04

m

1.0000

$ 5,033.38

$ 5,033.38

m

2 500.00

m .

m .

m . m . m . m .

$5,864.79 Costo total de la tubería instalada

$5,864.79 $14,661,967.45

Anualidad 0.162745 * $ 14 661 967.45 = $ 2 386 161.89

Costo anual de operación. Costo anual de energía $ 3 573 172.53 Costo anual de la tubería instalada $ 2 386 161.89

Costo total anual de operación $ 5 959 334.42

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Resumen: Costo anual de operación de tubería de:



1. A.C. clase A-14 de 250 mm (10”) f.

$ 7 254 384.00

2. A.C. clase A-10 de 300 mm (12”) f.

$ 5 915 611.21

3. A.C. clase A-10 de 350 mm (14”) f.

$ 5 959 334.42

el diámetro económico de bombeo es el de A.C. clase A-10 de 300 mm (12”) f.

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Procedimiento mecánico. Cálculo de línea de Conducción por Bombeo Datos de Proyecto Pob., de proyecto: Clíma Cálido: Clase Social: Dotación

26,832 Calido Media

Hab.

1.40 1.55 1.20

C.V.D. C.V.H. Velocidad

CNA CNA m/s

Tubería n . Perdidas Menores % hf (5-10)  H2O

230.00 L/H/D

Longitud 2,500.00

Eficiencia de la Bomba

Gasto de Diseño Qmed anual = Qmáx día =

Diámetro Tentativo Q Diseño V Diseño

71.43 L/s 100 L/s 0.10000 m3/s



A.C. 0.01 5%

Vida del Proyecto Tasa de Interés $ KW /Hr. Desnivel Topográf.

1,000

Kg/m3

10 10% 5.80 50.00

años

57.80

m

m

h = TQ (SLA) - Sup pozo Desnivel Topográf.

90%

h = TQ (SLA) - N.D. Pozo

Diám. Tentativo d=Raiz(Q*4/(V*PI))

3

m /s

m/s

m

Pulg

0.10000

1.2

0.3257

12.82

K

hf

Perdidas Menores

Perdida Tot. Carga

Desniv. Topo. S.L.A - N.D.

Carga Tot, Bombeo

Potencia de la Bomba ( HP )

% hf

hfT= hf + % hf

Dt

H=h+hfT

QH/76

40.38 15.27 6.71

57.80 57.80 57.80

98.18 73.07 64.51

143.54 106.83 94.32

POTENCIA DEL EQUIPO DE BOMBEO Diám. Nominal mm

pulg

Qmáx Dia m3/s

V 2

(10.3n )/(d

Q/A

(16/3)

2

)

KLQ

m/s

254.00 304.80 355.60

10.00 12.00 14.00

0.10 0.10 0.10

5%

1.97 1.37 1.01

1.54 0.58 0.26

38.46 14.54 6.39

1.92 0.73 0.32

GOLPE DE ARIETE (Análisis) Diám. Nominal mm

254.00 304.80 355.60

pulg

10 12 14

V

Ea

Et

Golpe de Ariete

Presión que ab-

Carga Tot en golpe de ariete

A.C. Kg/cm2

sorve la tubería

CT = Dt + hfT+hga

m/s

Agua Kg/cm2

hga =145V/(Raiz(1 + (Ea*d) / (Et*e) ) )

cm

2.85 2.50 3.10

1.97 1.37 1.01

20,670 20,670 20,670

2.85 2.50 3.10

1.97 1.37 1.01

20,670 20,670 20,670

Presión de Espesor de trabajo la pared Kg/cm 2 e

AU-14 AU-10 AU-10

Presión Final

20% hga

328,000 328,000 328,000

m 228.99 149.44 111.23

45.80 29.89 22.25

136.18 95.16 78.96

< < <

AU-14

328,000 328,000 328,000

228.99 149.44 111.23

45.80 29.89 22.25

136.18 95.16 78.96

< <

AU-14 AU-10

<

AU-10

AU-10 AU-10

GOLPE DE ARIETE (Revisión)

254.00 304.80 355.60

10 12 14

AU-14 AU-10 AU-10

DIÁMETRO ECONÓMICO Diám. Nominal

Presión de trabajo 2

mm

pulg

Kg/cm

254.00 304.80 355.60

10 12 14

AU-14 AU-10 AU-10

Amortización

Costo de la Línea

a = r +[ r/( (1+r)n-1) ] 0.1627 0.1627 0.1627

$11,142,599.73 $11,494,792.91 $14,661,967.45

Anualidad

Consumo de energía por año

a * Costo de la Línea

E = HP * 0.7457 * Hrs/Año

$1,813,407 $1,870,725 $2,386,168

937,656 697,849 616,100

Costo Anual de Costo de la Línea de Bombeo Bombeo CAB + Anualidad

$5,438,405 $4,047,522 $3,573,379

7,251,811.93 5,918,246.59 5,959,546.93

Diámetro Económico 404.80 mm (12")

A.C. AU-10

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