SECCIÓN 2 : PRESIONES, VELOCIDADES Y DIÁMETROS

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1 SECCIÓN 2 : PRESIONES, VELOCIDADES Y DIÁMETROS PRESIONES DE SERVICIO En este apartado se va estudiar las presiones de servicio que deben garantizarse en los puntos de consumo cuando se aborda el diseño de una red. Antes es conveniente fijar una serie de definiciones de uso de frecuente en el campo de la hidráulica y que pueden prestarse a confusión, son: La presión nominal (PN) es un número convencional de designación, que sirve para clasificar por la presión las tuberías, se expresa en kp/cm 2 (atmósferas). Se puede aplicar a accesorios, como válvulas, juntas, etc. Presión hidroestática o simplemente estática, en un punto determinado de una tubería, es la presión en esa sección, cuando estando en máxima carga, la circulación del agua es nula. Presión de servicio, también podría llamársela presión de diseño, es la presión máxima de funcionamiento en régimen permanente en una sección de la tubería para un punto determinado de la conducción, se excluye el golpe de ariete. Si no existe circulación coincidiría con la presión estática. Presión máxima de trabajo, de una tubería es la suma de la máxima presión de servicio, la hidroestática, más P las sobrepresiones, producidas por el golpe de ariete. La presión de servicio disponible en cualquier punto de la red dependerá del valor de la altura piezométrica en ese punto, y la altura piezométrica depende en toda la red de la altura del depósito, al que hay que restar pérdidas de carga originadas en las conducciones y la altura geométrica del punto considerado. Todo esto hay que tenerlo en cuenta a la hora de diseñar una red (véanse problemas de la unidad 4). Lo anterior presupone que fijados los diámetros de la red, las presiones en la toma de la arqueta, varían en función de la altura del depósito si no se ha fijado y a la inversa, fijada la cota del depósito la variación en el tamaño de los diámetros puede aumentar o disminuir las pérdidas de carga h r en las conducciones (véanse problemas de la unidad 4) Por tanto, la presión de servicio mínima necesaria para el suministro dependerá de los factores anteriores entre los que se encuentra la altura de los edificios (altura geométrica). Si estimamos en 5 m.c.a.( metros en columna de agua) la pérdida de carga en el recorrido de la instalación más la presión de salida en los grifos podemos evaluar la presión necesaria en arqueta del terreno. Página 1 de 7

2 Ejemplo: Sea un edificio de tres plantas con las alturas de 3,80 m. y planta baja de 5m, la presión normal que deberíamos disponer en la toma sería, para este caso (figura 3.4): fig.3.4 planta baja 5,00 m. 1ª planta 3,80 m. 2ª planta 3,80 m. presión de salida + pérdida 5,00 m. de carga Presión de servicio 19,20 m. Si consideramos la altura de planta baja en 4 m., plantas de 3 m. de altura en los pisos y mantenemos 5 m. como pérdida de carga en el recorrido más la presión de salida, podemos confeccionar la siguiente tabla de presiones de servicio. Tabla 3.8 Pisos en la edificación Altura de edificación planta + 1 piso 7 12 planta + 2 piso planta + 3 piso planta + 4 piso planta + 5 piso planta + 6 piso planta + 7 piso Presión servicio mínima (m. c.a.) de No obstante si no se pudieran alcanzar las presiones recogidas en la tabla 3.8, las presiones mínimas estrictas serían las recogidas en la tabla 3.9 Página 2 de 7

3 Pisos en la edificación Tabla 3.9 Una planta 8 planta + 1 piso 11 planta + 2 piso 14 planta + 3 piso 17 planta + 4 piso 20 Presión de servicio mínima (m. c.a.) Como norma general, dependiendo del número de habitantes en el núcleo urbano, se pueden tomar la siguientes presiones mínimas (tabla 3.10), en la arqueta de toma, sobre el terreno. Tabla 3.10 Habitantes Menos de De a De a De a Más de Presión sobre el terreno (m.c.a.) 15 m 22 m 28 m 35 m 48 m Las presiones en la red no deben sobrepasar los 60 m.c.a para evitar roturas en la red y en las acometidas domiciliarias. La presión máxima en la red se obtiene considerando toda la red en condiciones hidroestáticas, estas circunstancias tienen lugar prácticamente durante la noche, la circulación del agua es mínima por el bajo consumo, por tanto no existen pérdidas de carga, la presión máxima de servicio corresponde al desnivel entre el depósito y el punto considerado. Estas condiciones se utiliza para conocer la presión a la que va a estar sometida la tubería y nos servirá para determinar su timbraje. En las condiciones de diseño, cuando aun no se ha instalado la red, el conocimiento del timbraje, se determina por la máxima diferencia de cotas entre el nivel máximo de la superficie libre del líquido en el depósito y la cota más baja de la red. Deben tenerse en cuenta las sobrepresiones producidas por transitorios, como pueden ser maniobras de válvulas, parada de bombas, todas aquellas operaciones que puedan producir un golpe de ariete, en general en aquellas maniobras que se produzcan condiciones desfavorables en las tuberías. No obstante hay que subrayar que la presión máxima de trabajo (P t ) de una tubería es la suma de la máxima presión de servicio, la hidroestática, más P las sobrepresiones, incluido el golpe de ariete. P t = P hidroestática + P Página 3 de 7

4 En la elección de la tubería debe tomarse aquella cuya presión de trabajo P t sea mayor que la presión máxima de trabajo que deba soportar en las condiciones más desfavorables. La AEAS recomienda que la presión nominal mínima de cualquier tubería que vaya a ser instalada sea de 10 kp/cm 2. En la tubería de alimentación a la red de distribución, la sobrepresión P, puede calcularse fácilmente atendiendo a la recomendación de la NTE-IFA del Ministerio de la Vivienda, basta aplicar los valores de P unit la tabla 3.11, multiplicados por L longitud desde el punto en el que se desea calcular la sobrepresión, hasta el punto donde está situada la toma de la que parte la tubería de alimentación. Tabla 3.11 Tipo de Diámetro normalizado (mm.) Tubería Fundición Fibrocemento Hormigón PE PVC Tipo de Sobrepresión P unit (m/km.) Válvula Compuerta 8,5 7,0 6,5 6,0 6,0 5,0 5,0 5,0 4,0 3,5 3,5 Mariposa 6,5 5,5 5,5 La presión nominal (PN) es un número convencional de designación, que sirve para clasificar por la presión las tuberías, se expresa en kp/cm 2 (atmósferas). Se encuentran normalizadas. La presión de trabajo P t se encuentra relacionada con la presión nominal, algunas veces es coincidente como ocurre en materiales plásticos y en otros no. En cuanto a las presiones para el servicio de incendios, ya han sido referidas anteriormente. VELOCIDADES La velocidad de circulación del agua en una tubería depende del caudal que circula y de su diámetro. A mayor velocidad más pérdida de energía, por tanto disminuye la presión y viceversa. Por otra parte, altas velocidades puede suponer riesgos en operaciones erróneas, velocidades muy bajas suponen que para un mismo caudal, que los diámetros son grandes, las presiones aumentan y cabe la posibilidad de sedimentación de partículas que siempre transporta el agua, por tanto es necesario conjugar todas las variables, incluyendo los costes de las tuberías que siempre dependen del diámetro y que a veces puede suponer condicionar diámetros y materiales en perjuicio de algunas variables hidráulicas. Se necesita establecer un criterio que determine un rango de velocidades del agua, la fórmula de Mougnie, para presiones normales entre 2 y 5 atmósferas, facilita la velocidades para los distintos diámetros usuales en redes y es la más utilizada, es: V = 1,5 D + 0,05 V = velocidad en m/s. y D = diámetro en metros Página 4 de 7

5 Partiendo de esta fórmula obtenemos la siguiente tabla 3.11 de velocidades en función de los diámetros. Tabla 3.11 Diámetros (mm.) Velocidades (m/s.) De 50 a 90 0,60 De 100 a 175 0,70 De200 a 300 0,80 De 300 a 400 0,90 De 400 a 500 1,00 De 500 a 600 1,10 De 600 a 700 1,20 De 700 a 800 1,30 De 800 a 900 1,40 De 900 a ,50 También podría haberse utilizado la ecuación V = 2 satisface los diámetros superiores o iguales a 150 mm. D, D en metros y V en m/s, que A continuación exponemos la tabla 3.12 donde se relacionan, diámetros D en mm, caudales Q en l/s.; velocidad V en m/s, y pérdida de carga J en m/km. Para tuberías con rugosidad absoluta de k = 0,1 mm. Tabla 3.12 Diámetro (mm.) Q (l/s.) V (m/s) J (m/km) 60 1,4 0,50 6,8 80 2,7 0,54 4, ,6 0,58 4, ,8 0,67 3, ,6 0,75 2, ,9 0,89 2, ,7 1,00 2, ,3 1,20 1,8 Nos da idea de h r = J.L en metros, conociendo la longitud de un tramo determinado, puede servir para elegir un diámetro conveniente evitando una disminución de presión. Las velocidades admisibles, son 0,6 m/s que es la velocidad mínima para arrastrar partículas discretas y 1,5 m/s, velocidad a partir de la cual es posible el golpe de ariete. Las variaciones de velocidad originadas por el servicio de usuarios, son normalmente de pequeña magnitud, el golpe de ariete debido a esta posibilidad es prácticamente nulo. La Asociación Española de Abastecimientos y Saneamiento (AEAS) propone como valores de velocidad los comprendidos entre 0,6 y 2,25 m/s, siendo el valor mínimo el de 0,3 m/s, para el caudal de diseño. Página 5 de 7

6 DIÁMETROS Los diámetros se calcularán hidráulicamente atendiendo al caudal circulante por aplicación de la ecuación de la energía, se comprobarán las presiones p/γ si son similares a las de la tabla 3.10 y si no es así se procederá a las correcciones necesarias. Una forma de calcular el diámetro, teniendo en cuenta la velocidad en función del diámetro, es partiendo de la ecuación V = 2 D. Dado el caudal para calcular el mínimo diámetro que ha de tener la tubería según el criterio de Bonet, podemos sustituir en la ecuación dada la ecuación de continuidad, nos quedaría: 2 2 π. D π.d Q = V. = 2 D. ; despejando el diámetro D = 0,835.Q 5 Q se expresa en m 3 /s. En las Normas Técnicas de la Edificación (NTE), se recomiendan para redes malladas y para poblaciones de tipo medio, los diámetros recogidos en la tabla Tabla 3.13 Número de habitantes Tuberías de distribución Arterias < mm 100 mm De a mm 125 mm > mm 175 mm No obstante a parte del respeto a la recomendaciones de la tabla 3.11, debemos comentar que en la actualidad se tiende, siempre que se pueda, a la colocación de tuberías con diámetro mínimo de 80 mm., ello viene motivado por que en las conducciones de 60 mm. no es posible la instalación de hidrantes de 80 mm. que por otra parte necesitarían diámetros de tuberías de 80 mm. para conseguir los caudales y presiones ya indicadas. Esta recomendación se ve fortalecida además por las acometidas domiciliarias, por ejemplo los collarines de 2 no ajustan al diámetro de 60 mm., los collarines de 1 debilitan considerablemente la sección y originan fuertes pérdidas de carga. Además, en tuberías que van a estar situadas en la periferia conviene tener en cuenta los posibles aumentos de consumo por aumento de densidad de población o ensanche del núcleo. En lugares, como en gran parte de España la dureza del agua es elevada, la sección disminuye por incrustaciones, reduciendo rápidamente la sección útil, este hecho sería más acusado en diámetros pequeños Como criterio general en cuanto a la capacidad de transporte en la arteria principal ha de dimensionarse con las previsiones de aumento de la población y de nivel de vida, que ya han quedado especificadas. Página 6 de 7

7 Las arterias situadas en zonas pobladas totalmente, se preverán únicamente para el aumento de consumo por elevación del nivel de vida. Las arterias que tengan la posibilidad de convertirse en suministradoras de futuras zonas urbanas deberán dimensionarse con amplitud. Página 7 de 7