CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDRÁULICA

1 CONCEPTOS B SICOS DE HIDR ULICA. Biblioteca ATRIUM de Instalaciones de Agua Grupo Editorial OCEANO. Entre las generalidades te ricas de la hidr ulica b sica que convendr a recordar se hallan los CONCEPTOS fundamentales de: caudal, presi n, velocidad, secci n y p rdida de carga. CONCEPTOS GENERALES DE HIDR ULICA. Conocido es de todos que para conseguir una circulaci n de un fluido, en este caso agua, por una tuber a de secci n circular, es necesaria la existencia de una cantidad de l quido, factor denominado caudal, una fuerza que lo impulse llamada presi n y una tuber a definida por su secci n. Al producirse este movimiento del agua a trav s de una tuber a, se origina un nuevo fen meno denominado velocidad de circulaci n. Se recuerdan a continuaci n todos estos CONCEPTOS . PRESI N. El agua ejerce un empuje o presi n sobre la pared del tubo o dep sito que la contiene, y se expresa en kilogramos por cent metro cuadrado - atm sferas - metros por columna de agua.

2 En el seno de una corriente uniforme, el valor es el mismo para todos los puntos de una secci n transversal. ALTURA O CARGA PIEZOMETRICA. Si en un tubo por el que circula agua a presi n se aplican a las paredes tubos piezom tricos verticales, el agua se eleva en cada uno de ellos a una altura piezom trica en metros igual a P/Y, siendo P la presi n en kilogramos por cent metro cuadrado en el interior de la tuber a e Y el peso espec fico del agua (1 000 kglm 3 ). Fig 1. ALTURA CIN TICA. Se denomina a la expresi n V2 /2g; siendo V la velocidad de circulaci n del agua en metros por segundo y g la aceleraci n de la gravedad. ALTURA GEOMETRICA. Designada por la letra Z, es la altura en metros del punto considerado en el agua, sobre un plano de comparaci n. (fig. 1). PERDIDA DE CARGA. Los l quidos no son perfectos ya que son viscosos en mayor o menor grado y se desarrollan en ellos, al moverse, esfuerzos tangenciales que influyen notablemente en los caracteres del movimiento.

3 La carga H no se mantiene constante, sino que una parte de ella se emplea en vencer la resistencia que se opone al movimiento del liquido. A esta p rdida de H se le denomina p rdida de carga. Debido a estas p rdidas de cargas o resistencias que se oponen al movimiento del liquido, la expresi n general del teorema de Bernouilli se transforma en la siguiente: R - p rdidas de carga continuas que se producen por el movimiento del l quido y el rozamiento con las paredes del tubo. E X - suma de p rdidas de carga por resistencias aisladas, que se producen por la existencia de obst culos en las tuber as, el di metro del tubo y la velocidad del agua. Normalmente se expresan dichas p rdidas de carga aisladas en valores equivalentes de p rdida de carga continua R. F RMULAS PR CTICAS DE LA P RDIDA DE CARGA. La p rdida de carga continua, R, se toma por unidad de longitud y se designa generalmente por la letra J. En el movimiento uniforme a lo largo de una tuber a de secci n constante, los factores que interesan a la hora de formular son los siguientes: D - di metro Q- caudal S - rugosidad interior V - velocidad J - p rdida de carga Las numerosas experiencias demuestran que en cualquier tipo de superficie interior, existe una p rdida de carga, y los valores rese ados cumplen una relaci n general: J = f( ).

4 Por otro lado, entre caudal, velocidad y di metro interior aparece la relaci n: Q= V* (nD2 /4). Como resultado de estas dos ecuaciones, que se han detallado anteriormente, aparece un sistema de cinco variables. La pr ctica y los experimentos demuestran que el sistema se puede resolver matem ticamente: Q= V* (nD2 /4). Donde m es un coeficiente que viene en funci n de la rugosidad del material. A esta f rmula de c lculo se la conoce como f rmula de Flamant. Los valores del coeficiente m son: Tubo de acero 0,00023. Tubo de plomo 0,00014. Tubo de fundici n 0,00018. Aplicando estos valores aparecen los bacos de c lculo que se estudiaran al final del tema, cada uno en funci n del tipo de tuber a que deba utilizarse. Teniendo en cuenta que, hoy por hoy empiezan a colocarse muchas de otros materiales, cobre, PVC, Polietilenos, etc., debe identificarse para cada caso especial el nuevo coeficiente de rugosidad m aplicable, en funci n de la composici n qu mica del material.

5 OTRAS F RMULAS DE C LCULO. Sonnier: Darcy: Manning: Donde K depende del tubo Sc meni : FIamant : Fig 2,3,4. No obstante, para evitar tener que buscar cada coeficiente K en las diversas f rmulas, las p rdidas de carga aisladas se eval an en longitud equivalente a la tuber a del mismo di metro en la que se encuentra instalada, con lo que las f rmulas quedar an: X - p rdida de carga aislada. (fig. 2). Teorema de Bernouilli: Primer t rmino de la f rmula Si un cuerpo o fluido estudiado tiene una masa m y un peso W, este cuerpo puede desarrollar, sin duda alguna, un trabajo para descender al plano de comparaci n, lo que conlleva decir que existir una determinada energ a potencial. (fig. 3). Ep= como W = Ep = h Segundo t rmino de la f rmula V2 /2g Si se considera la masa de 1 kg de agua sin rozamiento, por el principio de la inercia, si ninguna fuerza interviene, implica un movimiento indefinido. (fig. 4). energ a cin tica = m V2 /2.

6 Masa =W/g como W = 1 kg, la energ a cin tica = V2 /2g Tercer t rmino de la f rmula P/Y. Imaginando un cuerpo de bomba horizontal provisto de mbolo (fig 5), la presi n en A. ser p=FIS, lo que quiere decir que el l quido dar cierta cantidad de trabajo o lo que es lo mismo, el liquido es portador de energ a cin tica. Energ a potencial = F L. F=ps Energ a potencial = p s L, como energ a potencial = P/Y. CAUDAL. Fijar un caudal en una red de distribuci n, tanto urbana como privada, es un factor bastante indefinido debido al elevado n mero de condicionantes que le afectan. Existen tablas de aproximaci n al c lculo del caudal seg n el tipo de tramo. Las f rmulas m s conocidas para c lculo de caudales son: caudal instant neo m ximo de un determinado n cleo de poblaci n en el que se considera un crecimiento demogr fico de valor constante: q - caudal punta en 1itros por hora Q -consumo en litros por hora d a N - n mero de habitantes K - coeficiente punta Caudal parcial en poblaciones de diferente densidad urbana: S- superficie servida (Ha).

7 N - n mero de habitantes Q - consumo medio litros por hora d a VELOCIDAD. Las velocidades de circulaci n del agua por el interior de una tuber a se fijan entre valores l mites ya que, aunque parece que por econom a la velocidad de circulaci n r pida es rentable, por razones t cnicas deben limitarse siempre los valores m ximos y m nimos. Los valores altos pueden producir fen menos de golpes de ariete importantes, e incluso, aparici n de ruidos y una gran erosi n interior. Las velocidades bajas posibilitan, debido a la gran cantidad de materias que en disoluci n transporta el agua y por los procesos de potabil zaci n y depuraci n, sedimentaciones en el interior de las tuber as. Como normas generales se estiman siempre los valores l mites que aparecen a continuaci n especificados para las redes de distribuci n: Velocidad m nima 0,5 m/s Velocidad m xima 2 m/s Para presiones entre 2 y 5 atm sferas, se puede determinar la velocidad por la f rmula de Mougnie: el m todo es aproximado D di metro ECUACI N DE LA CONTINUIDAD DE UN L QUIDO.

8 La masa de un fluido incompresible que atraviesa cualquier secci n de tuber a en una unidad de tiempo constante. (Fig. 6). Fig. 6. Cumple: s 1 .S1 .V1 = 2 S2 V2 = cte = K. g 1 S1 V1 = 2 S2 V2 =K'. como g 1 = g 2 (agua); S1 V1 = S2 V2 =K" = Q. luego la ecuaci n de la continuidad ser : Q = Q - caudal en litros por segundo V - velocidad (dec metros por segundo). S - secci n (dec metros cuadrados). RELACI N ENTRE CAUDAL, VELOCIDAD Y SECCI N. Como puede desprenderse de la ecuaci n de continuidad en un fluido, existe una impl cita relaci n entre los valores: caudal, velocidad y secci n (Q = V S). Ello determina que, manteniendo constante uno de los valores, el tercero variar . proporcionalmente. Fen meno que se apreciar en la velocidad de circulaci n del fluido a igualdad de caudal, ya que depender de la secci n: mayor D, menor velocidad menor D, mayor velocidad debido a lo cual se tendr n en cuenta siempre los valores mininos y m ximos admisibles (0,5/2 m/s).

9 Debido a que en las f rmulas de c lculo se aplican variables de rugosidad que var an a medida que pasa el tiempo de utilizaci n de la misma, se aplica en muchos casos el uso de constantes generales para todo tipo de materiales, por lo que aparecen los denominados bacos universales de c lculo. La elecci n de la velocidad media se fundamenta entre los valores de 0,5 y 2, pero tambi n depende del tipo de tuber a y de su localizaci n en el edificio. Para tuber as de peque o di metro, la velocidad deber mantenerse entre los valores de 0,5 y 1,5 m/s. En particular, en las derivaciones interiores no conviene superar el valor de 1 m/s. Un valor adecuado para acometidas, distribuidores y montantes es de 1,5 m/s. Por tanto, lo anteriormente citado se puede estimar a modo orientativo y siguiendo las especificaciones dictadas a velocidad del agua, unas p rdidas de carga aproximadas de: conducciones que est n enterradas: 0,10 a 0,35 conducciones exteriores de poco uso: 0,07 a 0,20 conducciones en las viviendas: 0,05 a 0,15 Datos con los que se puede predimensionar la instalaci n.

10 En cuanto a las p rdidas de carga aisladas es mejor calcular as independientemente con la f rmula anteriormente vista: aunque es bastante complicado por la b squeda de los coeficientes K de cada material y tipo de pieza. Esta f rmula se denomina m todo cin tico ya que depende de la energ a din mica del fluido: COEFICIENTE DE SJMULTANEIDAD. Una vez establecido el caudal previsible en un tramo cualquiera de una canalizaci n, se debe hacer menci n del coeficiente de simultaneidad de servicios. En principio parece evidente que, seg n el n mero de aparatos a los que alimenta una canalizaci n, es dif cil que el caudal o gasto total sea la suma de los gastos de cada uno de los aparatos, porque no suelen funcionar todos a la vez. Por ello, dependiendo directamente del n mero de aparatos en funcionamiento, del tipo de utilizaci n, y del edificio (uso) aparecer un coeficiente, que como valor m ximo ser 1, que aminorar el gasto total en el tramo considerado.