hidraulica de tuberias juan saldarriaga

illDRÁULICA DE TUBERÍAS Juan G. Saldarriaga V. Profesor de ingenieríe hidráuiíca Universídad de los Andes Revisión técnica GermánR. Santos G. Profesor tituiar Escuela Colombiana de ingeniería Santafé de Bogotá. Buenos Aires. Caracas· Guatemala· Lisboa· Madrid· México Nueva York· Panamá· San Juan· Santiago de Chile· sao Paulo Auckland•Hamburgo "Londres· Milán· Montreal • Nueva Delhi " París SanFrancísco"San Luís" Singapur •Sidney • Tokio· Taranta Hidráulica de tuberías No está permitida la reproduccióntotalo parcial de este libro,ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio,ya sea electrónico,mecánico,por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. DERECHOS RESERVADOS. Copyright © 1998, por JUAN G. SALDARRIAGA V DERECHOS RESERVADOS.Copyright ©1998,por McGRAW-HILL INTERAMERICANA, SA Avenida de las Américas,46-41.Santaféde Bogotá, D. C., Colombia Editora: Emma Ariza H. 1234567890 ISBN: 958-600-831-2 Impreso en Colombia 9012345678 Prlntedin Colombia Se imprimieron1AOO ejemplares en el mes de mayo de 2001 Impreso en Panamericana Formas e Impresos S.A. A Carolina, Juliana y Alejandro quienes dan sentido a mi vida. PREFACIO Hidráulica de tuberías es el resultado de varios años de trabajo de investigación y docencia en el área de hidráulica de tuberías y sistemas de irrigación en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de los Andes. A pesar de que en la bibliografía técnica existente se encuentran excelentes textos de hidráulica, mecánica de fluidos, maquinaria hidráulica eincluso textos en hidráulica de tuberías, faltaba un libro que cubriera todos los aspectos del flujo en tuberías. El presente texto es unesfuerzo para suplir ese vaCÍo.Se caracteriza por estar centrado en el diseño desistemas de tuberías, más que en losmétodos de construcción, mantenimiento y operación de dichos sistemas. Para lograr su objetivo introduce una serie de algoritmos, diagramas deflujoyprogramas, enlosdisquetesadjuntos, loscualespennitenel diseñodetodoslossubsistemasde tuberías que pueden fonnar parte de un sistema mayor. También incluye comentarios de programas existentes en el mercado destinados al diseño de redes de tuberías para la distribución de agua potable.Con el fin de ayudar a entender el proceso de diseño, cada capítulo va acompañado de una serie de ejemplos resueltos y deunaseriedeproblemasplameados. Igualmente, al final decadacapítulosepresentalabibliografía utilizada, que puede ser consultada por el lector con el objeto de complementar algunos detalles de lateoría. Otra de las características de Hidráulica de tuberías es que abarca tcmas que usualmente se trataban en textos diferentes a pesar de estar muy relacionados. El libro contiene los temas de tuberías simples, sistemas detuberías, sistemasdebombeo, sistemasdedistribucióndeaguapotableoacueductosy, finalmente, sistemas de riego convencionales y localizados de alta frecuencia. Está dividido en ocho capítulos. El capítulo 1 se dedica a establecer las teorías sobre las cuales se basa todo el diseño de sistemas de tuberías con flujo a presión. Es un capítulo que describe en foona detallada el desarrolJt) histórico del actual conocimiento del flujoturbulentoentuberías. PartedelostrabajosdeNewtony Darcyyfinaliza conlosdePrandtI, Van Kánnán, Nikuradse, Colebrook y White. Establece en forma cIara las teorías de cantidad de movimiento, de flujo viscoso, de análisis dimensional, de longitud de mezcla y de interacción fluido-pared sólida que han permitido entender el flujo turbulento en tuberias y que permanecen como uno de los pocos casos de flujo turbulentoconecuacionesde diseñocompletamentedesarrolladasyprobadasenla práctica. Alfinal del capítuloapareceunatabladeresumendeestasecuaciones. A pesardequeesuncapítulobásicopara entender el flujo en tuberías a presión, su lectura puede ser dejada de lado por el lector que no desee conocer en detalle la procedencia de las ecuaciones de diseño. El capítulo2estádedicadoal diseñodetuberíassimples, es deciraquellastuberíascondiámetroy material constante, que son la base para el diseño de los sistemas más complejos. En él se establecen los tres tipos de problemas de tuberías a los que se ve enfrentado el diseñador de tuberías y se describen las forma'>de solución. Esto lleva a la presentación de los cinco primeros diagramas de Hujo y a los cinco primeros programas, los cuales serán la base de los programas que se presentan en los demás capítulos. El texto remite a los programas mediante el ícono de un disquete identificado con un número de programa. En los disquetes que acompañan ellibro se encuentra unícono que identifica los14 programascomplementariosal texto. Haciendo doble clic con el ratón sobre elícono seleccionado, el lector podrá utilizar cualquiera delos programas. Elcapítulo3 presentalasecuacionesy metodologíasalternaspara eldiseño detuberíassimples. Las teoríasde longituddemezclaydeinteracciónfluido-paredsólidadePrandtl llevaronaecuacionesno explícitasdediseño. Esteproblema fomentóelplanteamiento de ecuacionesnetamente empíricas para el diseño de sistemas de tuberías, algunas tratando de seguir unidas a la ecuación de Darcy-Weisbach y otras siguiendo un camino completamente diferente. Algunas de estas ecuaciones alcanzaron un éxito importante en la práctica de la ingeniería y siguen siendo utilizadas en el presente. Entre las ecuaciones de este tipo se VI HIDRÁULICADErUBERíAS destacan las de Moody, Wood, Barr y Hazen-Williams, las tres primeras siguenla metodología de Darcy y la última es completamente independiente.El capítulo 3 presenta estas ecuaciones, con ejemplos para los tres tipos de problemas de diseño de tuberías antes descritos. Al final del capítulo se hace una comparación entre las ecuaciones de Hazen-Williams y de Darcy-Weisbach en conjunto con la de Colebrook-White. Apartir del capítulo 4 se inicia el análisis de sistemas complejos de tuberías. Sin embargo, las soluciones a problemas de diseño en estos sistemas se basLm en los cinco algoritmos planteados en el capítulo 2. El capítulo 4 aborda el problema de operar sistemas de tuberías con bombas. Se establece en detalle el efecto que una bomba tiene sobre la línea de gradiente hidráulico del flujo en una tubería y se introducen los conceptos de curva de la bomba y curva del sistema. Luego de introducir los conceptos básicos de la operación de bombas se desarrolla la metodología de diseño de ésta, la cual queda incluida en el diagrama de tlujo 6 y en el programa 6. Elcapítulo5establecelasmetodologíasdediseñodetuberíasenserieydetuberíasenparalelo. La primera partedel capítuloserelaciona con el diseñodesistemasenserie; nuevamenteseestablecenlas metodologías para resolver los tres tipos de problemas del diseño de sistemas de tuberías, las cuales quedan resueltas entres diagramas deflujoconsuscorrespondientes programas. Enestapartedel capítulose introducen losdiagramas deflujo7, 8 Y9 Ysusprogramas. Alfinalde esta primera parte se estudian los tubos porosos, caso particular de los tubos en serie, utilizados en los sistemas de riego que se estudian en el capítulo 8, La segunda parte del capítulo 5 analiza el caso de las tuberías en paralelo. Los diagramas de-flujo 10, 11Y12 Ysus conespondientes programas contienen las metodologías de solución de los tres tipos de problemas para el caso de sistemas en paralelo. Los capítulos 6 y 7 se dedican al análisis de redes de tuberías. El primero de éstos desarrolla el caso de las redesabiertas osistemasde redesmatrices ensistemasde acueductos, aquellastuberías expresas que interconect,m los diferentes tanques del sistema. Para el análisis de este tipo de redes se introduce el concepto de balance de cantidad en un nodo y luegose procede a establecer las metodologías de diseño de los tres tiposdeproblemasenel casodelasredesabiertas. Sedesarrollanlosdiagramasdeflujo 13y14 Y sus correspondientes programas. Estos 14programas fueron desarrollados comoparteintegral del texto Hidráulica detuberías. Tal como se estableció anteriormente, los archivos ejecutables se encuentran incluidos enlosdisquetesadjuntos. Todoslos programasfuerondesarrollados enlenguaje TURBOPASCAL para WINDOWS y pueden correr en un computador pe compatible con procesador 80486 o superior y con una memoria RAM de por lo menos 8 megabytes. El capítulo 7 está relacionado con las redes cerradas de tuberías, es decir aquellas redes que contienen al menosuncircuitocerradoyqueconformanlos sistemas típicos dedistribucióndeaguapotableenlos centros urbanos. En el capítulo se describen en detalle las diferentes metodologías para resolver problemas dediseñoderedescerradaspartiendodelasmásantiguas, talescomoladeHardy-Crosshastalas más modernas como la del gradiente. Se muestra cómo las metodologías existentes se desarrollaron únicamente para el primer tipodeproblema de tuberías, la comprobacióndel diseño. Sehaceuna cortadescripción, sacadadeINTERNET, dealgunosdelosprincipalesprogramascomerciales: KYPIPE3, CYBERNET, WATERCADyEPANET. Laúltima partedel capítulosededicaadescribir metodologíasparaatacar el tercertipodeproblemas, el diseñoensí delas redes, atravésderutinas deoptimizacióndecostosde tuberías. Seintroducen los criterios de diseño de redes cerradas de Wu y deFeatherstoney se describe el programa REDES. desarrollado en elDepartamento de Ingeniería Civil de la Universidad de los Andes, el cual pennite el diseño optimizado de redes de distribución de agua potable. Una versión académica de este programa, limitada a redes de máximo 30 tubos, se encuentra en los disquetes que vienen con el libro. PI