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SIFONES

INTRODUCCIONLa ingeniera hidrulica se auxilia de los sifones para transportar agua por encima de una elevacin o colina. Los sifones pueden ser tan diminutos como podamos imaginar hasta verdaderas obras ingenieriles, siempre que en el caso del agua la altura entre la fuente y la parte ms elevada del sifn no supere los diez metros, porque la presin atmosfrica no puede mantener el peso de una columna de agua a esa altura.

SIFONES NORMALESLlamado simplemente sifn por la mayora de los autores conduce l agua pasando sobre el obstculo y su funcionamiento se debe a la presin atmosfrica que acta en la superficie del agua a la entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vaco en el interior del conducto, entonces la diferencia de presin entre la entrada (Presin atmosfrica) y en el interior del conducto (Presin cero a prxima a cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vaco en la cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en 'el conducto, por esta razn la entrada al sifn debe estar siempre ahogada.

SIFONES INVERTIDOSLos sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresin topogrfica en la que est ubicado un camino, una va de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.

PARTES DE UN SIFNLos sifones invertidos, constan de las siguientes partes:

DesarenadorDesage de excedenciasCompuerta de emergencia y rejilla de entradaTransicin de entradaConducto o barrilRegistro para limpieza y vlvulas de purgaTransicin de salidaDesarenador; Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales, que descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal. Sirven a la vez para desalojar el agua del sifn cuando por reparaciones en este sean cerradas

Desage de excedencias; Es una estructura que evita que el nivel del agua suba ms de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no puedapasar por el sifn. Generalmente consiste en un vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. Para el caudal normal la cresta del vertedor estar a nivel de la superficie libre del agua. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada; Por facilidad de construccin se localizan a la entrada del conducto, o sea al finalizar la transicin de entrada. La compuerta de emergencia consiste en una o varias compuertas deslizantes o agujas de madera que corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o en viguetas de hierro y que en un momento determinado pueden cerrar la entrada al conducto para poder hacer limpieza o reparaciones al mismo tiempo.

La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8" de dimetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 (3/8" x 3/8") colocados a cada 10 cm. Y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 (1" x 1/2"). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraos que impidan el funcionamiento correcto del conducto.

Transicin de entrada y salida; Como en la mayora de los casos, la seccin del canal es diferente a la adoptada en el conducto, es necesario construir una transicin de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a lasegunda.En el diseo de una transicin generalmente es aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifn un poco ms debajo de la superficie normal del agua. Esta prctica hace mnima la posible reduccin de la capacidad del sifn causada por la introduccin del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifn se recomienda que est comprendida entre un mnimo de 1.1 hv y un mximo de 1.5 hv. (hv = carga de velocidad).

Conducto; Forma la parte ms importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchn mnimo de 1 m en las laderas y de 1.5 m en el cruce del cauce para evitar probables fracturas que pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camionetas o tractores.

Secciones Transsversal; por cuestiones de construccin, pueden ser:CuadradasRectangulares H/B = 1.5Circulares

TIPOS DE SIFONES INVERTIDOSLos principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuacin:

HIDRULICA DEL SIFNEl sifn invertido, presenta aproximadamente una forma de U interconectada con dos cmaras. En su entrada existe una cmara cuya funcin es orientar el flujo hacia el sifn propiamente dicho y a su salida otra cmara que permite guiar el flujo efluente hacia el colector aguas abajo. Entre estas cmaras, el escurrimiento se produce por gravedad, en conducto forzado (a presin hidrulica o sea a tubo lleno), siendo por lo tanto el nivel de agua en la cmara de entrada superior al de la cmara de salida.

H: carga hidrulica: Se debe de cumplir que la AH debe de ser mayor a la suma de todas las prdidas que se generen en el sifn.

CALCULO HIDRAULICO DE UN SIFON INVERTIDO

Energia especifica

Se debe de cumplir que la carga hidrulica (H) debe de ser mayor a la suma de todas las prdidas que se generen en el sifn.

PARTES DE UN SIFN INVERTIDO

a. Transiciones de entrada y salida : es recomendable tener la abertura de la parte superior del sifn un poco ms abajo de la superficie normal del agua. Para hacer mnima la posible reduccin de la capacidad del sifn causada por la introduccin del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifn debe estar entre un mnimo de 1.1 hv y un mximo de 1.5 hv. hv = carga de velocidad =v2/2g

b. Rejilla de entrada y Salida La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8" de dimetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2(3/8" x 3/8") colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27cm2 (1" x 1/2"). Su objeto de la rejilla de entrada es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraos que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraos o personas. c. Tuberas de presin: c.1 Material usado para tubera de presin:El acero comercial fue fabricado con plancha de acero roladas y soldada. En general las tuberas de acero que estn protegidas por una capa de pintura u otra capa de proteccin pueden durar hasta 20 aos. Adems, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metlicas. Evitar enterrar las tuberas de presin debido a que corren el riesgo de corroerse. c.2 Velocidades en el conducto Las velocidades de diseo en sifones grandes es de 2.5 - 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeos es de 1.6 m/s. Un sifn se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el dimetro.

d. Funcionamiento del sifn El sifn siempre funciona a presin, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos Energa en 1 y 2:

Polikouski y Perelman vt: velocidad media en la tubera (m/s) D: dimetro de la tubera de acero (m)

CLCULO DE LAS PRDIDAS HIDRULICASi. Prdidas de carga por transicin de entrada y salida

hle = prdidas por transicin de entrada hls = prdidas por transicin de salida vt = velocidad en el sifn vcr = velocidad en la seccin del canal rectangular (aguas arriba) vt = velocidad en el sifn vcr.= velocidad en la seccin del canal rectangular (aguas abajo)ii. Prdidas por rejillas

Las soleras de la rejilla son 9 y tiene dimensiones de 2x1mx1/4 (0.051mx1mx0.0064m) separadas cada 0.1m.

Donde: K = coeficiente de prdidas en la rejilla An = rea neta de paso entre rejillas. AS = rea bruta de la estructura y su soporte, que quede dentro del rea hidrulica.

Vn= velocidad a travs del rea neta de la rejilla dentro del rea hidrulica iii. Prdidas de carga por entrada al conducto

Donde: v = velocidad del agua en el barril. Ke = coeficiente que depende de la forma de entrada Para entrada con arista ligeramente redondeada Ke= 0.23

iv. Prdidas por friccin en el conducto :Utilizando la formula de Hazen Williams R = radio hidrulico C= 115 (coeficiente de rugosidad relativa tomando las tablas de tuberas de acero usadas para valores de Hazen Williams). Utilizando la formula de Darcy Weisbach y considerando una rugosidad f para el acero en el rango de 0.014-0.018.v. Prdidas de carga por cambio de direccin o codos

Donde: = Angulo de deflexin Kc= coeficiente para codos comunes = 0.25vi. Prdidas por vlvulas de limpieza Las prdidas de carga que se originan en los sifones por el hecho de insertar lateralmente una tubera en la que se coloca una vlvula para desage y limpieza se deben considerar como prdidas por bifurcacin de tuberas. Esta prdida existe aun cuando una de las partes esta cerrada por la vlvula, ya que se forman turbulencias dentro de la tubera, pero en vista de que se considera muy pequea y no se ha podido evaluar se desprecia. Finalmente la suma de todas las prdidas producidas en el sifn es:

En resumen:La carga hidrulica disponible deber superar a las prdidas totales en el sifn H > prdidas, Para demostrar que el sifn est correctamente diseado .

Ejemplo de diseo Disear un sifn invertido en el cruce de un canal con la panamericana las caractersticas del cruce se presenta en la Fig. 1 y las caractersticas del canal arriba y aguas abajo del cruce son: Z = 1.5Q = 1 m3/s S = 1 o/oo b = 1.0 m n = 0.025 Y = 0.7 m V = 0.7 m/s V2 ---- = 0.025 m La pendiente aguas arriba yaguas abajo es de 1 o/oo y l as cotas segn el perfil del canal son: 2g Km. 1 + 030 = 46.725 m.s.n.m. Km 1 + 070 = 46.443 m.s.n.m.

1 . Seleccin del dimetro del tubo Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg

2 . Longitud de transiciones

Cota de fondo en 2

Cota de fondo en 3

Cota de fondo en 4

Cota de fondo en 5

Clculo del valor P en la salida

3 . Inclinacin de los tubos doblados (codos)

4 . Carga hidrulica disponible

5. Clculo de las prdidas de carga