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CURSO:

IRRIGACIONES

SEMESTRE 2012-II

DOCENTE:

ING° CARLOS LUNA LOAYZA

FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO:

IRRIGACIONES

SEMESTRE 2012-II

DISEÑO DE SISTEMAS PRESURIZADOS DE RIEGO

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� Una tubería es un conducto que cumple la función detransportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar conmateriales muy diversos.

� Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza ladenominación específica de oleoducto.

� Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza ladenominación específica de gasoducto.

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOa.- Antecedentes.

Si bien el uso de canales abiertos tiene la ventaja de quepermite emplear materiales baratos y ahorrar en la obra, tienelas siguientes desventajas:

� Hay que ajustarse al gradiente hidráulico del agua� Se producen pérdidas de agua por filtraciones y

evaporación� Existe peligro de contaminación del agua, especialmente en

zonas pobladas o industriales� En climas fríos puede generare hielo que produce pérdidas

de carga� Perturbaciones en el canal por raíces de árboles o agujeros

de roedores.

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOb.- Ventajas de uso canal Vs. tuberías

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Ventajas del uso de tuberías en sistemas de riego:� Tuberías con unión mecánica para ensamblar y desensamblar

fácilmente.� Fabricadas con compuestos de P.V.C. formulado para resistir la

acción de los rayos ultravioleta sel sol.� Menores pérdidas de presión por fricción que se traduce en

menor consumo de potencia.� Tubos livianos de fácil manejo.� Resistentes al impacto.� Sistema muy rentable por la optimización en la aplicación de

riego por surco.� Compatible con todos los accesorios de riego según Norma SCS

430 HH.� Racionaliza las condiciones del modelo tradicional de aplicación

de agua 2 por gravedad.

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOb.- Ventajas de uso canal Vs. tuberías

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOc.- Eficiencia de riego

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOd.- Flujo Laminar y turbulento

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.1- Ecuaciones para flujo permanentee.1.1 Ecuación de continuidad:Establece la invariabilidad del gasto, Q [m3/s], en cadasección del conducto.

Donde:V es la velocidad media de flujo, en m/sA es el área de la sección transversal del conducto, en m²

*Q V A=

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.1- Ecuaciones para flujo permanentee.1.2 Ecuación de la energía:Establece la constancia de la energía entre dos seccionestransversales del conducto (1 y 2).

Donde:g Es la aceleración de la gravedad, la cual se puede tomar igual a 9.81 m/s²p Es la presión, en kg/m²V Es la velocidad media en el conducto, en m/sz Es la carga de posición, en mγ Es el peso específico del agua, en kg/m³hf Pérdidas de energía, o de carga, por fricción, desde la sección 1 a la 2hL Pérdidas locales, desde la sección 1 a la 2

2 2 2 21 1 2 2

1 21 12 2 f L

P V P VZ Z h h

g gγ γ+ + = + + + +∑ ∑

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.1- Ecuaciones para flujo permanentee.1.3 Ecuación de cantidad de movimiento:Es una aplicación de la segunda ley de Newton en formavectorial.

Donde Σ F representa la resultante de todas las fuerzas queactúan sobre el elemento líquido comprendido entre lassecciones 1 y 2 considerado como cuerpo libre β es elcoeficiente de Boussinesq, se relaciona con el coeficiente deCoriolis a través de la ecuación siguiente

( ) ( )2

2 11

F Q V Vg

γ β β = − ∑

� � �

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.1- Ecuaciones para flujo permanente

Cualquiera que sea el sistema de ecuaciones por usar, este sedeberá plantear entre secciones finales con condiciones defrontera perfectamente definidas, es decir, aquellas seccionesen las cuales se conozcan con exactitud los valores de laenergía de posición, de presión y de velocidad con los cualesse pueda calcular la energía total

1

3I

αβ −= +

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:Por lo general en las líneas de conducción, la resistencia porfricción, ofrecida por el tubo es el elemento dominante en sudiseño hidráulico.

En esta sección se presentan las fórmulas que puedenutilizarse para calcular dicha resistencia. El ingenieroproyectista usará la fórmula con la que esté familiarizado ycon la que haya tenido experiencia.

Se deberá seleccionar en forma conservativa el valor delcoeficiente para las fórmulas.

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:El movimiento simple del agua en una tubería se inicia desde el punto decaptación o reservorio hacia el punto de riego, después de recorrer unadistancia. Si se aplica la ecuación de Bernoulli tendremos:

El último término comprende todas las pérdidas que se producen entre eltramo inicial y final. En los sistemas de riego se tienen pérdidas de cargaen:

• Pérdida de carga a la entrada al sistema.• Pérdida de carga por fricción entre el agua y la pared interna del

ducto.

2

_ a r g2

Vh p e r d i d a s c a

g= +

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.1 Pérdida de carga en la entradaEsta pérdida de carga depende de cómo se inserta la tubería y puede ser:

Si se conecta al ras

Si se proyecta un poco hacia el interior

Si la entrada es redondeada

2

0 . 5 02f

VH

g=

2

0 . 7 82f

VH

g=

2

0 . 1 52f

VH

g=

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.1 Pérdida de carga por fricciónSe tiene la siguiente expresión:

Donde:F Resistencia a la fricciónHf Pérdida de cargaL Longitud de la tuberíaW Peso específicoD Diámetro de la tubería

4 * *

*f

L FH

W D=

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.2 Fórmula de Darcy-Weisbach.La fórmula de Darcy-Weisbach se expresa:

Donde:hf Es la pérdida por fricción, en mf Es el factor de fricciónL Es la longitud del tramo, en mD Es el diámetro de la sección transversal del conducto, en mV Es la velocidad media en el conducto, en m/sg Es la aceleración de la gravedad

2

* 2f

L Vh f

D g=

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.2 Fórmula de Darcy-Weisbach.El valor de f se obtendrá del diagrama universal de Moody o al aplicar la ecuación modificada de Colebrook-White:

2

0 . 2 5

l o g3 . 7 1 R e

R e

T

f

GD

V D

ε

ν

=

+

=

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.2 Fórmula de Darcy-Weisbach.Valores del coeficiente f

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.2 Fórmula de Darcy-Weisbach.Donde:

Re Es el número de Reynoldsν Es la viscosidad cinemática del líquido, en m²/sε Es la rugosidad absoluta del material de la tubería, en m

Los valores de G y T serán:

Los valores para ε se pueden consultar en la referencia 1.El valor de ν para agua limpia, se puede tomar igual a 1 m²/s.

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.2 Fórmula de Darcy-Weisbach.Siendo f un número abstracto , llamado factor de fricción, que deacuerdo a los experimentos realizados resulta:•Que f disminuye conforme aumenta la velocidad•Que f disminuye con el aumento del diámetro•Que f varía con la rugosidad de la superficie de la tubería

•La pérdida de carga total será:

2 2 2

0 .5 0 *2 2 2f

V V fL Vh

g g d g= + +

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.3 Fórmula de Manning.La fórmula de Manning es la siguiente:

Donde:n Es el coeficiente de rugosidad de ManningV Es la velocidad media en el conducto, en m/sR Es el radio hidráulico de la sección, en mS Es la pendiente de fricción

2 1

3 21

V R Sn

=

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.3 Fórmula de Manning.Si se combina con la ecuación la fórmula de Manning sepuede escribir así:

Los valores de n que se recomiendan para diferentesmateriales de la tubería se muestran en la tabla siguiente:

2

2

1 6

3

1 0 .2 9 4

fh K L Q

nK

D

=

=

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.2. Pérdida de energía por fricción en la conducción:e.2.3 Fórmula de Manning.

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.3. Pérdidas locales:Generalmente, en las líneas de conducción, las pérdidaslocales pueden ignorarse debido a que tienen un valorrelativamente bajo en función de la pérdida total.

Sin embargo si el trazo de la línea presenta demasiadoscambios de dirección o de diámetro, debidos a condicionesespeciales de topografía o espacio, deberán considerarsedichas pérdidas.

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.3. Pérdidas locales:Para calcular las pérdidas locales de energía se utilizará laexpresión siguiente:

El valor de V corresponde a la sección que se localiza aguasabajo de la alteración (salvo aclaración en caso contrario).

En los casos que a continuación se enumeran, el coeficientek tomará los valores siguientes:

2

2L

Vh k

g=

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.3. Pérdidas locales:

e.3.1 Entrada de depósito a tuberíaCon aristas agudas k = 0.50 Con diseño hidrodinámico

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.3. Pérdidas locales:

e.3.2 Reducción de diámetro de tubería

e.3.3 Codo

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.3. Pérdidas locales:e.3.4 Codo brusco e.3.5 Ampliación

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.3. Pérdidas locales:e.3.6 Válvula totalmente abierta e.3.7 Reducción brusca

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.4 Conducción por gravedad:Una conducción por gravedad se presenta cuando la elevación del agua enla fuente de abastecimiento es mayor que la carga piezométrica que serequiere o existe en el punto de entrega del agua.

El diseño en este tipo de conducción consistirá en determinar el diámetrocomercial del tubo, que conducirá el gasto deseado con una pérdida decarga en la conducción igual a la carga disponible.

Si se pretende aprovechar la carga disponible para la generación de energíaeléctrica, el diámetro de la tubería se determinará con base en el análisiseconómico correspondiente.

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TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.5 Conducción por bombeo:La conducción por bombeo se usa generalmente cuando la elevación del agua en lafuente de abastecimiento es menor que la carga piezométrica que se requiere en elpunto de entrega. El equipo de bombeo suministrará la carga necesaria para vencerel desnivel existente entre la succión y el sitio de descarga de la línea de conducciónmás las pérdidas locales y las debidas a la fricción.

En una línea de conducción por bombeo se hará el estudio para obtener el diámetroeconómico. Para ello se considerarán varias alternativas para el diámetro de latubería. El diámetro económico será aquel que corresponde al valor mínimo de lasuma de los conceptos siguientes, calculados a valor presente:

• Costo de la tubería y su colocación; y• Costo de la energía para el bombeo.

TERCERA UNIDAD3.0 SISTEMAS DE RIEGO PRESURIZADOS3.3 DISEÑO DEL SISTEMA PRESURIZADOe.- Diseño hidráulicoe.6 Conducción por bombeo:Para evitar que se sedimenten partículas que arrastre el agua, el flujo tendrá unavelocidad mínima de 0.5 m/s.

La velocidad máxima permisible para evitar la erosión de la tubería será la que seindica a continuación (se considera que el agua es limpia o poco turbia):