Diseño de red de distribución para la comunidad de Santa Mónica – Caracas - Venezuela

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

HIDRÁULICA (1366)

PROFESOR: RAFAEL HERNANDEZ

DISEÑO DE RED DE DISTRIBUCIÓN PARA LA COMUNIDAD DE SANTA MÓNICA – CARACAS - VENEZUELA

ROSALES ANDREW, V-26.272.150

GARCÍA HENDERSON, V-20.108.996

HERNANDEZ RICARDO, V-25.482.927

YANEZ MAYKOL, V- 22338386

Caracas, JULIO de 2024

Introducción

La ingeniería hidráulica juega un papel fundamental en el desarrollo de la sociedad moderna, no solo impulsando el sector comercial, sino también impactando directamente en la calidad de vida de las personas. Uno de los desafíos más apremiantes que enfrenta la humanidad es la distribución equitativa y eficiente del agua potable. En este contexto, las redes de distribución de agua potable se erigen como una herramienta crucial, especialmente en entornos urbanos.

Las redes de distribución se dividen en dos secciones principales: la red primaria o matriz y la red secundaria. La primera actúa como la columna vertebral del sistema, transportando el agua desde la planta de tratamiento hasta los tanques de almacenamiento y compensación. La segunda, por su parte, se encarga de llevar el agua desde los tanques hasta las acometidas de los usuarios finales, llegando a cada hogar y negocio.

Las redes primarias generalmente se configuran como redes abiertas, mientras que las redes secundarias adoptan una estructura de malla cerrada, conformada por circuitos que siguen el trazado urbano. Esta configuración en malla cerrada ofrece mayor confiabilidad en el suministro, ya que el agua puede llegar a su destino por diferentes caminos, minimizando el riesgo de interrupciones por averías o mantenimiento.

Este proyecto se centra en el diseño y análisis de una red de distribución de agua potable tipo malla cerrada para la urbanización de Colinas de Bello Monte en Santa Mónica. El objetivo principal es garantizar la dotación de agua potable a cada una de las parcelas, considerando los siguientes aspectos:

Cálculo del volumen total del tanque de almacenamiento: Se determinará la capacidad necesaria del tanque para asegurar el suministro continuo durante un período determinado, considerando la demanda de agua de la urbanización.

Dimensionamiento de la tubería: Se calculará el diámetro adecuado de la tubería principal que conduce el agua desde el tanque hasta la red de distribución, utilizando la ecuación de Hazen-Williams para determinar las pérdidas de carga.

Diseño de la red de distribución en malla cerrada: Se optimizará el trazado de la red, considerando la ubicación de las parcelas. Se seleccionarán los materiales y accesorios adecuados para la tubería.

Análisis hidráulico del sistema: Se usa el método de Hardy-Cross para verificar que la presión y el caudal en la red sean suficientes para satisfacer la demanda en cada punto.

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema hidráulico eficiente que satisfaga la demanda de agua potable de la comunidad de Colinas de Bello Monte, garantizando una presión mínima de 10 metros de columna de agua (mca) en todo el sistema.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseñar la línea de aducción desde la estación de bombeo Santa Mónica hasta el tanque Colinas de Bello Monte.

Diseñar la red de distribución en malla cerrada, incluyendo el dimensionamiento de las tuberías.

Calcular las pérdidas de carga en el sistema utilizando la ecuación de Hazen-Williams.

Realizar un análisis hidráulico del sistema para verificar que cumple con los requisitos de presión y caudal.

Elaborar la memoria descriptiva del proyecto, incluyendo planos, perfiles y especificaciones técnicas.

Seleccionar las bombas y equipos necesario para la estación de bombeo.

MARCO TEORICO

Caudal (Q): Es la cantidad de fluido que circula por un punto de una tubería en un tiempo determinado. Se expresa en unidades de volumen por unidad de tiempo, como metros cúbicos por segundo (m³/s) o litros por segundo (L/s).

Ecuación:

Q = A * V

Donde:

Q = Caudal (m³/s o L/s)

A = Área de la sección transversal de la tubería (m²)

V = Velocidad del flujo (m/s)

Presión (P): Es la fuerza que ejerce el fluido por unidad de área sobre las paredes de la tubería. Se expresa en unidades de presión, como pascales (Pa), kilopascales (kPa) o megapascales (MPa).

Ecuación:

P = F/A

Donde:

P = Presión (Pa, kPa o MPa)

F = Fuerza (N)

A = Área de la sección transversal de la tubería (m²)

Velocidad (V): Es la distancia que recorre una partícula del fluido en un tiempo determinado. Se expresa en unidades de longitud por unidad de tiempo, como metros por segundo (m/s).

Ecuación:

V = Q/A

Donde:

V = Velocidad del flujo (m/s)

Q = Caudal (m³/s o L/s)

A = Área de la sección transversal de la tubería (m²)

Ley de Bernoulli: Esta ley establece que la energía total de un fluido en un punto de una tubería es igual a la energía total del fluido en otro punto de la tubería, siempre que no haya pérdidas de energía entre los dos puntos.

Ecuación:

P₁ + (1/2) * ρ * V₁² + ρ * g * z₁ = P₂ + (1/2) * ρ * V₂² + ρ * g * z₂

Donde:

P₁ = Presión en el punto 1 (Pa, kPa o MPa)

V₁ = Velocidad del flujo en el punto 1 (m/s)

z₁ = Altura del fluido en el punto 1 (m)

P₂ = Presión en el punto 2 (Pa, kPa o MPa)

V₂ = Velocidad del flujo en el punto 2 (m/s)

z₂ = Altura del fluido en el punto 2 (m)

ρ = Densidad del fluido (kg/m³)

Pérdidas en Tuberías: Las pérdidas en tuberías son una parte inevitable del flujo de cualquier fluido en un sistema de tuberías. Estas pérdidas se traducen en una disminución de la energía del fluido, lo que puede afectar negativamente al rendimiento del sistema.

Pérdida por fricción: Es la energía que se pierde por fricción entre el fluido y las paredes de la tubería. Estas pérdidas son mayores en tuberías rugosas, de mayor diámetro y con mayor caudal. Se expresa en unidades de energía por unidad de longitud, como julios por metro (J/m) o metros de columna de agua (mca).

Ecuación:

hf = f * (L/D) * (V²/2g)

Donde:

hf = Pérdida de carga (J/m o mca)

f = Factor de fricción

L = Longitud de la tubería (m)

D = Diámetro de la tubería (m)

V = Velocidad del flujo (m/s)

g = gravedad

Pérdidas por fugas: Se producen por roturas o grietas en la tubería.

Pérdidas por singulares: Se producen en puntos específicos de la tubería como codos, válvulas, cambios de sección, etc. Estas pérdidas dependen del tipo de singularidad y del caudal del fluido.

Tuberías: Son los conductos que transportan el fluido.

Válvulas: Son dispositivos que se utilizan para controlar el flujo del fluido.

Accesorios: Son elementos que se utilizan para conectar las tuberías entre sí, como codos, tees, bridas, etc.

Tanques: Son recipientes que se utilizan para almacenar el fluido.

La ecuación de Hazen-Williams: Permite cuantificar las pérdidas primarias en una tubería que trasiega agua a sección llena. El cálculo no toma en cuenta las propiedades físicas del agua (densidad, peso específico, viscosidad absoluta y relativa), y solo se basa en un coeficiente de rugosidad (CHW) vinculado al material con que están fabricadas las tuberías, y del radio hidráulico que a su vez depende de la sección transversal de la conducción y del perímetro mojado.

Aquí un desglose de la ecuación de Hazen-Williams:

Ecuación:

V = C * R^0.63 * S^0.54

Donde:

V: Velocidad del flujo (m/s)

C: Coeficiente de Hazen-Williams: Este coeficiente depende del material de la tubería y su rugosidad. Es un valor constante para un tipo específico de material de tubería.

R: Radio hidráulico: Esta es la relación entre el área de la sección transversal del flujo de la tubería y su perímetro mojado. Se calcula dividiendo el área del agua que fluye por la tubería por la longitud del perímetro mojado en contacto con el agua.

S: Pendiente de la tubería: Esta es la relación entre el aumento vertical y la distancia horizontal a lo largo de la tubería.

El método de Hardy-Cross: Es un método iterativo para calcular los caudales y presiones en redes de tuberías malladas. Se utiliza para determinar la distribución del flujo en sistemas hidráulicos complejos con múltiples tuberías y nodos.

Tuberías en paralelo: Son un conjunto de tuberías que parten de un nodo común y llegan a otro nodo también común. En estos nodos, los caudales que pasan por cada una de las tuberías se unen. Esto quiere decir que para cada una de las tuberías en paralelo aguas arriba los caudales deben estar unidos para luego dividirse en el nodo inicial y por último volver a unirse en el nodo final; aguas abajo de éste nuevamente

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