República Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica De La Fuerza Armada Bolivariana Núcleo Táchira San Cristóbal
Distribución del agua potable
Estudiante: Daniela Piñango
San Cristóbal junio 2012
Introducción
Se denomina agua potable o agua para consumo humano, al agua que puede ser consumida sin restricción debido a que, gracias a un proceso de purificación, no representa un riesgo para la salud. El término se aplica al agua que cumple con las normas de calidad promulgadas por las autoridades locales e internacionales. El suministro de agua potable es un problema que ha ocupado al hombre desde la Antigüedad. Ya en la Grecia clásica se construían acueductos y tuberías de presión para asegurar el suministro local. En algunas zonas se construían y construyen cisternas o aljibes que recogen las aguas pluviales. Estos depósitos suelen ser subterráneos para que el agua se mantenga fresca y sin luz, lo que favorecería el desarrollo de algas. En Europa se calcula con un gasto medio por habitante de entre 150 y 200 L de agua potable al día aunque se consumen como bebida tan sólo entre 2 y 3 litros. En muchos países el agua potable es un bien cada vez más escaso y se teme que puedan generarse conflictos bélicos por la posesión de sus fuentes. De acuerdo con datos suministrados por el programa de monitoreo del abastecimiento
de
agua
potable
patrocinado
en
conjunto
por
la OMS y UNICEF, el 87% de la población mundial, es decir, aproximadamente 5,900 millones de personas (marzo 2010),dispone ya de fuentes de abastecimiento de agua potable, lo que significa que el mundo está en vías de alcanzar, e incluso de superar, la meta de los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM) relativa al agua potable.
Red de abastecimiento del agua potable
La red de abastecimiento de agua potable es un sistema de obras de ingeniería, concatenadas que permiten llevar hasta la vivienda de los habitantes de una ciudad, pueblo o área rural relativamente densa, el agua potable. Los sistemas de abastecimiento de agua potable se pueden clasificar por la fuente del agua, del que se obtienen:
Agua de lluvia almacenada en aljibes. Agua proveniente de manantiales naturales, donde el agua subterránea aflora a la superficie; Agua subterránea, captada a través de pozos o galerías filtrantes; Agua superficial (lleva un previo tratamiento), proveniente de ríos, arroyos, embalses o lagos naturales; Agua de mar (esta debe necesariamente ser desalinizada).
Según el origen del agua, para transformarla en agua potable deberá ser sometida a tratamientos, que van desde la simple desinfección y filtración, hasta la desalinización.
Componentes del sistema de abastecimiento El sistema de abastecimiento de agua potable más complejo, que es el que utiliza aguas superficiales, consta de cinco partes principales:
Captación; Almacenamiento de agua bruta; Tratamiento; Almacenamiento de agua tratada; Red de distribución abierta
Captación La captación de un manantial debe hacerse con todo cuidado, protegiendo el lugar de afloramiento de posibles contaminaciones, delimitando un área de protección cerrada. La captación de las agua superficiales se hace a través de las bocatomas, en algunos casos se utilizan galerías filtrantes, paralelas o perpendiculares al curso de agua para captar las aguas que resultan así con un filtrado preliminar. La captación de las aguas subterráneas se hace a través de pozos o galerías filtrantes.
Almacenamiento de agua bruta El almacenamiento de agua bruta se hace necesario cuando la fuente de agua no tiene un caudal suficiente durante todo el año para suplir la cantidad de agua necesaria. Para almacenar el agua de los ríos o arroyos que no garantizan en todo momento el caudal necesario se construyen embalses. En los sistemas que utilizan agua subterránea, el acuífero funciona como un verdadero tanque de almacenamiento, la mayoría de las veces con recarga natural, sin embargo hay casos en que la recarga de los acuíferos se hace por medio de especiales.
Tratamiento El tratamiento del agua para hacerla potable es la parte más delicada del sistema. El tipo de tratamiento es muy variado en función de la calidad del agua bruta. Una planta de tratamiento de agua potable completa generalmente consta de los siguientes componentes:
Reja para la retención de material grueso, tanto flotante como de arrastre de fondo; Desarenador, para retener el material en suspensión de tamaño fino; Floculadores, donde se adicionan químicos que facilitan la decantación de sustancias ensuspensión coloidal y materiales muy finos en general; Decantadores, o sedimentadores que separan una parte importante del material fino; Filtros, que terminan de retirar el material en suspensión; Dispositivo de desinfección.
En casos especiales, en función de la calidad del agua se deben considerar, para rendir estas aguas potables, tramientos especiales, como por ejemplo:
la osmosis inversa; tratamiento a través de intercambio iónico; filtros con carbón activado.
Obviamente estos tratamientos encarecen el agua potable y solo son aplicados cuando no hay otra solución.
Almacenamiento de agua tratada El almacenamiento del agua tratada tiene la función de compensar las variaciones horarias del consumo, y almacenar un volumen estratégico para situaciones de emergencia, como por ejemplo incendios. Existen dos tipos de tanques para agua tratada, tanquesapoyados en el suelo y tanques elevados, cada uno dotado de dosificador o hipoclorador para darle el tratamiento y volverla apta para el consumo humano. Desde el punto de vista de su localización con relación a la red de distribución se distinguen en tanques de cabecera y tanques de cola:
Los tanques de cabecera, se situan aguas arriba de la red que alimentan. Toda el agua que se distribuye en la red tiene necesariamente que pasar por el tanque de cabecera. Los tanques de cola, como su nombre lo dice, se situan en el extremo opuesto de la red, en relación al punto en que la linea de aducción llega a la red. No toda el agua distribuida por la red pasa por el tanque de cola.
Red de distribución La red de distribución se inicia en la primera casa de la comunidad; la línea de distribución se inicia en el tanque de agua tratada y termina en la primera vivienda del usuario del sistema. Consta de:
Estaciones de bombeo; Tuberías principales, secundarias y terciarias. Válvulas que permitan operar la red, y sectorizar el suministro en casos excepcionales, como son: en casos de rupturas y en casos de emergencias por escasez de agua. Dispositivos para macro y micro medición. Se utiliza para ello uno de los diversos tipos de medidores de volumen Derivaciones domiciliares.
Las redes de distribución de agua potable en los pueblos y ciudades son generalmente redes que forman anillos cerrados. Por el contrario las redes de distribución de agua en las comunidades rurales dispersas son ramificadas. Los proyectos de agua potable incluyen los siguientes elementos: la construcción, expansión o rehabilitación de represas y reservorios, pozos y estructuras receptoras,tuberías principales de transmisión y estaciones de bombeo, obras de tratamiento y sistemas de distribución; las provisiones para la operación y mantenimiento de cualquiera de las instalaciones arriba mencionadas; el establecimiento o fortalecimiento de las funciones de colocación de medidores, facturación y colección de pagos; y el fortalecimiento administrativo global de la empresa de agua potable. Si bien un sistema de abastecimiento de agua potable tiene sin lugar a dudas un impacto sumamente positivo en la salud y el bienestar de muchas personas, la construcción de sus diversos componentes acarrea, potencialmente, algunos problemas que son los mismos que se describen en los siguientes artículos:
Manejo de recursos terrestres e hidráulicos Represas y reservorios Tuberías de petróleo y gas. Para lograr llevar agua potable a los inmuebles, debemos seguir un sistema convencional para conducir dicho líquido manteniendo las condiciones físicas, químicas y microbiológicas, lo realizamos según los siguientes pasos: 1) Determinar la fuente de provisión (donde sacamos el agua) 2) Establecimiento de potabilizacion, aquí se cambian las características del agua 3) Conducción, cuando hay mucha distancia entre la planta y la ciudad donde se distribuye. 4) Reserva: tanque de almacenamiento de agua que subsidia el abastecimiento en caso de falla. 5) Tanque elevado: esta ubicado en altura y permite dar energía al agua para que alcance los lugares de consumo. 6) Red de distribución La red de distribución es un trazado de cañerías que permite distribuir agua potable desde un tanque elevado que es el que sirve como almacenamiento y para darle suficiente presión al agua para que llegue al punto más alejado. El tanque sirve para unificar presiones. La red debe cumplir con requisitos técnicos y económicos.
Las redes pueden ser: Abiertas: nace de un tanque elevado y su extremo termina en un tapón (sin retorno) que debe tener consumo permanente en su extremo para evitar estancamiento. Cerradas: esta compuesta por mallas. Las mallas son una parte de la red que nace en el tanque y constituyen un circuito cerrado, poseen dos ramales que se unen en un punto que coincide con el punto de equilibrio. Las mallas no deben abarcar más de 6 x 6 manzanas (por una cuestión de perdida de carga). Datos que deben tenerse en cuenta al diseñar la distribución: a) Determinar la vida útil del proyecto y crecimiento poblacional b) Dirección en que crecerá la ciudad c) Altura promedio de las casas, para determinar altura del tanque de las mismas y así poveer en la conexión de una presión adecuada (por ejemplo 10 m.c.a.). d) Dotación diaria por habitante y por día, valor que no es calculado para cada caso en particular, pero se lo adopta en función del nivel socioeconómico de la población a servir. e) Tener en cuenta la fuente de agua, ya que debemos tener cantidad de agua disponible según la necesidad del proyecto. f) Diámetro mínimo de las cañerías distribuidoras g) Ubicación del tanque Definiciones Varias a) Tramo: longitud de la cañería principal comprendida entre dos puntos sucesivos b) Ramal: conjunto de tramos sucesivos desde el tanque hasta el punto de equilibrio de esa malla c) Nudo: punto donde hay bifurcación de caudal. d) Punto de equilibrio: punto de la malla donde se considera que la energía disponible de los dos ramales de la malla se igualan. El gasto en ese punto es cero. Aproximadamente es equidistante en ambos ramales. También existen puntos de equilibrio en las cañerías secundarias. e) Gasto Max.horario: Corresponde al caudal máximo horario extrapolado a 20 años. f) Gasto hectometrico: es el gasto max. horario dividido por la longitud total de la red. g) Gasto en ruta: es el gasto hectometrico multiplicado por la suma de la longitud de cañería principal mas la secundaria de un tramo. h) Gasto en extremidad: es la suma de los gastos totales que llegan al nudo. El tramo que comprende el punto de equilibrio no tiene gastos en extremidad.
i) Gasto total: gasto en ruta más el gasto en extremidad. j) Gasto de calculo: Gasto en extremidad + 0,5 del gasto en ruta. k) Presión mínima: es la presión que deberá existir en los puntos de equilibrio tal que permita llevar agua a un tanque en segundo piso (según el BID = 6 m.c.a.). Calculo de la red de distribución Existen cuatro métodos de cálculo a saber: 1) Standard La principal diferencia con los demás métodos es que considera la línea piezometrica como una recta, porque se considera un gasto ficticio constante. Supone que la cañería mas conveniente es la de menor peso. 2) Standard Mejorado Consiste en trazar una parábola (línea piezometrica) a sentimiento. 3) Mannes practico A cada tramo le aplicamos un caudal teórico. Se reemplaza la línea piezometrica parabólica por una poligonal. 4) Método de Mannes Llega a una relación entre diámetro, caudal y pérdidas que da una línea piezometrica parabólica. La parábola toma mayor pendiente en las cercanías al tanque y luego se hace casi horizontal. Es así porque se utilizan los caudales que realmente pasan por la cañería, este método es muy complejo. Curvas de caudales cronológicos Los caudales varían a lo largo del día existiendo un mínimo a las 3 de la mañana y máximo a las 12 hs. del mediodía esta curva nos permite construir la curva de volúmenes acumulados. Una vez calculado los volúmenes a servir, debemos determinar el tanque a instalar, el tanque debe tener un volumen que permita absorber los caudales pico y no sea excesivamente caro (Ver graficos), entonces el tanque debe cumplir dos condiciones, aportar volumen necesario y presión mínima requerida. Para cumplir la segunda condición debemos considerar la altura del tanque. Para considerar el aspecto económico, debemos determinar el punto optimo del tanque, esto lo estudiamos mediante la construcción de la curva de
gasto de elevación ( a mayor altura, mayor consumo de energía para elevación de agua y mayor costo de construcción)_y la curva de amortización de la red de distribución (a mayor altura, menor diámetro de cañería y por ende mas económica), Para determinar el punto optimo se realiza la suma entre ambas curvas y el punto optimo será el punto mas bajo. Curvas de consumo diario, acumulado y curvas para considerar el aspecto económico.
Tuberías en paralelo El caudal total que se quiere transportar se divide entre las tuberías existentes y que la pérdida de carga en cada una de ellas es la misma.
Continuidad:
Velocidad media:
Balance de energía:
Tubería 1:
Tubería 2:
Tubería 3: Como: pa = Pb = 0 ; Va = Vb = 0 ; za - zb = Ht
Sistema paralelo en tubería común: Un sistema paralelo de tubería común, incluye dos ramas dispuestas comos e muestra en la figura. La rama inferior se agrega para evitar que parte del fluido pase a través del intercambio de calor, permitiendo el flujo continuo, mientras que se le da servicio al equipo.
Caudal en camino (caudal DISTRIBUIDO en sistema de tuberías paralelas). Sistema hidráulico en el cual el caudal, o gasto, se reparte a lo largo de su recorrido. Sea un elemento de tubería como el que se muestra en la figura.
Aplicando la ecuación de Continuidad a la tubería, se tiene que: Así, el gasto que entra al elemento de volumen es: Se sabe que la ecuación de Darcy - Weisbach para una tubería de iguales dimensiones y que no entrega gasto distribuido y donde circula QD es:
Donde: QD: caudal de diseño: es aquel caudal que circularía por una tubería que no entrega gasto en camino, de material y dimensiones idénticas a las que entrega gasto y con igual pérdida de carga. Por otro lado, la pérdida de carga en el elemento de volumen es:
Reemplazando (2):
Integrando sobre toda la tubería:
De (1): y reemplazando en (4):
El flujo de fluido en tuberías de sistema paralelo La situación ideal del flujo en una tubería se establece cuando las capas de fluido se mueven en forma paralela una a la otra. Esto se denomina "flujo laminar". Las capas de fluido próximas a las paredes internas de la tubería se mueven lentamente, mientras que las cercanas al centro lo hacen rápidamente. Es necesario dimensionar las tuberías de acuerdo al caudal que circulará por ellas, una tubería de diámetro reducido provocará elevadas velocidades de circulación y como consecuencia perdidas elevadas por fricción; una tubería de gran diámetro resultará costosa y difícil de instalar.
Sistema de tubería en paralelo de Redes abiertas:
o
No existe un método especial, dado que se conocen las demandas del flujo.
o
Dada una cierta geometría, se deben calcular las presiones en los nodos
o
Dadas estas presiones requeridas en los nodos, se debe diseñar la red
SISTEMA DE TUBERÍA EN PARALELO DE Redes cerradas. o
Se emplea generalmente el método de Hardy - Cross, el cual es un 0método iterativo, para una solución factible inicial.
o
Para cada tubería, siempre existe una relación entre la pérdida de carga y el caudal, de la forma: Donde: m: depende de la expresión utilizada para determinar la pérdida de carga. r: depende de la fórmula para expresar la pérdida de carga y de las características de la tubería, asociadas a pérdidas de carga singulares y generales.
Método de Hardy - Cross. Las condiciones hidráulicas básicas en la aplicación del método de Cross son: que se reúnen en un nodo es cero.
de todas las pérdidas de energía en cualquier circuito cerrado o malla dentro del sistema, es cero.
Tuberías en serie: Las tuberías en serie son aquel conjunto de tuberías que forman parte de una misma conducción y que tienen diferente diámetro.
Para obtener una solución al problema se deben considerar lo siguiente:
Continuidad:
Velocidad media:
Balance de energía:
Factor de fricción: Moody:
Ejemplos de aplicación:
Dos tanques están conectados por una tubería que tiene 6" de diámetro en los primeros 6m. y 9" en los 15. Restantes. La embocadura es con bordes agudos y el cambio de sección es brusco.
La diferencia de nivel entre las superficies libres de ambos estanques es de 6m. La tubería es de fierro fundido, nuevo. La temperatura del agua es de 20°C. Calcular el gasto. Calcular cada una de las perdidas de carga. La ecuación de energía es:
De la ecuación de continuidad se obtiene:
Reemplazando los valores conocidos:
Por tratarse de una tubería de fierro fundido, que conduce agua podríamos suponer inicialmente De puede tener una idea aproximada de este valor calculando las rugosidades relativas y observando el valor de para turbulencia plenamente desarrollada. El objetivo de esta suposición es obtener el orden de la magnitud del valor reemplazando se obtiene,
Lo que significa:
Considerando que para 20°C, la viscosidad cinemática es Los números de reynolds son:
Y las rugosidades relativas:
Para la rugosidad absoluta se ha tomado el valor 0.00025m. Del diagrama de Moody se obtiene que:
Estos valores difieren ligeramente del que habíamos supuesto, usando estos valores calculamos un nuevo valor para las velocidades
Luego se calculan los valores de Reynolds y los valores de f. se obtienen valores iguales a los supuestos. Por lo tanto.
Verificación de la ecuación de energía:
Energía total 6.01metros.
Ejemplo En serie: SOLUCION DEL SISTEMA EN SERIE SEGÚN LA FORMULA DE DARCYWEISBAH Un problema típico de tuberías en serie en el mostrado en la fig.5, en el cual (a) se desea conocer el valor de H para un caudal dado o bien (b) se requiere el caudal para un valor de H dado.
Figura 1
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos A y B (en los niveles de la superficie de los depósitos) obtenemos la siguiente expresión.
Usando la ecuación de continuidad
Despejando en función de , obtenemos ( ) Sustituyendo estas expresiones ken la expresión original, tenemos
[ ]
(5)
Generalizando
(6) Donde son constante obtenidas de los valores físico –hidráulico de las
tuberías.
Resolvamos el inciso a, donde se quiere conocer la carga H, conociendo el caudal. En esta solución, el inconveniente es determinar los coeficientes de fricción, de cada tubería, los cuales dependen del numero de Reynolds y la rugosidad relativa correspondiente a cada tramo, a través del diagrama de Moody o por formulas de cálculo, donde los valores es una función de los datos del problemas y la solución es en forma directa. Si el valor dado es H, inciso b, aquí se presenta una solución iterativa para la determinación del caudal; despejando la velocidad en la ecuación (6), se representa un proceso para la solución: 1. Suponer valores de los coeficientes de fricción de cada tramo en el intervalo de 0.02-0.04. 2. Calcular la velocidad despejada en la ecuación (6). 3. Calcular la velocidad de los demás tramos a través de la ecuación de continuidad.
4. Calcular los números de Reynolds de cada tramo con sus respectivas velocidades y con sus rugosidades relativas, obtener nuevos valores de los coeficientes de fricción de cada tramo a través del diagrama de Moody o formulas de cálculo. 5. Repetir los pasos 2 al 4, hasta que los coeficientes de fricción de cada tramo converjan a una solución.
Paralelo:
Las condiciones que un sistema de tubería en paralelo debe cumplir son: 1- Las sumas de los caudales individuales de cada tubería debe ser igual al caudal original, o sea
∑
2- Las perdidas por fruición en cada tubería individual son iguales ,o sea:
Para los sistemas de tubería en paralelo se presenta dos problemas básicos: a) Determinar el caudal en cada tubería individual del sistema, si se conoce la perdida por fricción. b) Determinar la perdida de carga y distribución de caudales en la s tubería individuales, si se conoce el caudal original.
Conclusión
Por ser el agua el elemento más necesario a la vida y a las actividades de la sociedad, los sistemas de abastecimiento de agua son primordiales para toda comunidad. Cuando una ciudad dispone de limitada cantidad de agua para su abastecimiento, tiene problemas de salubridad, problemas en el desarrollo de sus industrias y aun en su apariencia estética. De aquí en primer término se haga necesario suministrar agua a la población en cantidad suficiente y de buena calidad. Esa cantidad dependerá esencialmente de la población y su crecimiento, el desarrollo de sus industrias, el comercio y la extensión de las aéreas pobladas y otros factores tales como aéreas verdes entre otras.