1. Ingeniería
Hidráulica

2. Ingeniería Hidráulica
Análisis y diseño de tuberías
Pérdidas
Tipos de pérdidas  Cortas < 2% del total de las pérdidas
Largas > 2% del total de las pérdidas
Funcionamiento Hidráulico  Sistemas Simples [Serie y paralelo]
 Sistemas complejos [Abierto – cerrado – Mixto]
SISTEMAS SIMPLES
En serie – Pérdidas
El caudal en cada tubería es el mismo y las pérdidas de energía por fricción y por
accesorios se suman a lo largo de la serie.
Módulo de Caudal
Darcy
Hazen-Williams
Por tanto:
Criterio de Diseño: La serie de menor costo corresponde aquella que genere una
línea piezométrica cercana a la línea recta que una las alturas de energía total
del inicio y el final de la serie.
En paralelo – Pérdidas
El caudal total es igual a la suma de los caudales individuales y las pérdidas de
energía en cada rama son iguales
Por tanto:
Criterio de diseño: Ineficiente desde el punto de vista hidráulico ya que aumenta
el perímetro mojado aumentando así las pérdidas por fricción. Usado para
aumentar la confiabilidad del sistema de tuberías.
2

3. Ingeniería Hidráulica
Tuberías Equivalentes
Módulo Equivalente
Serie
Paralelo
Diseño de Conducciones a presión
1. Análisis de la situación actual
2. Análisis de la población
3. Análisis de la demanda [Consumo per cápita y su distribución en el
tiempo]
4. Análisis de la oferta [Calidad; cantidad; distancia; presupuesto]
5. Generación de alternativas
6. Comparación de Alternativas [técnica y económicamente]
7. Escogencia de una alternativa
8. Diseño final
a. Planos
b. Especificaciones
c. Presupuesto
d. Documentación Técnica
3

4. Ingeniería Hidráulica
Caudal de Diseño
Q prom = Volumen consumido en un día = Población x Dotación
Segundos en un día 86400 s
Caudal Máximo Diario
Qmd = fmd x Qprom fmd = 1,5 [Factor máximo Diario]
Caudal Máximo Horario
Qmh = fmh x Qprom fmh = 2,5 [Factor máximo horario]
Diseño de Tuberías a presión
Ø2
Si
Ø1
Longitud de una tubería a presión
Para 3 o más tanques
Además
[+] Si Q2 entra al nudo  B está “encima” de D
[–] Si Q2 sale del nudo  B está “debajo” de D
1ra aproximación
Si Q3 > Q1 [+]
4

5. Ingeniería Hidráulica
1. Calculamos Øexacto con Hazen-Williams
2. Calculamos espesor de las tuberías (una arriba y una abajo)
3. Calculamos la longitud de las tuberías
4. Calculamos la celeridad, área y velocidad equivalente
5. ¿Cierre lento o rápido? Periodo de la tubería
6. Calculamos la presión en lugares estratégicos como las válvulas y los
puntos bajos
7. Dibujamos usando SDR‟s
PRESIÓN DE DISEÑO
Pdiseño = Pestática + PgolpeAriete
Ptrabajo = Presión que “resiste” el tubo
Pdiseño ≤ 0.8 Ptrabajo
Cálculo de la Sobrepresión
Celeridad: velocidad de la onda de choque. Refiriéndose
a la velocidad que se genera cuando ocurre una
obstrucción en la tubería.
Fórmula General  Allievi Agua Limpia
Donde
g  Gravedad Material Constante k
E Módulo de elasticidad del fluido Acero 0,5
e'  Módulo de elasticidad del tubo Hierro dúctil 1,0
e  espesor del tubo Concreto 5.0
k  Constante del material PVC 18
Periodo de la tubería: Tiempo que le toma al fluido
completar un “ciclo” al encontrarse con una obstrucción
5

6. Ingeniería Hidráulica
Si el Tiempo de Cierre (tc) es menor al periodo de la tubería (T) se supone un
cierre instantáneo, si el tiempo de cierre es mayor se considera un cierre lento
Cierre Instantáneo Cierre lento
Para tubería en serie
Celeridad Equivalente Velocidad Equivalente Área Equivalente
Golpe de Ariete (sobrepresión):
Para un tubo y un fluido infinitamente rígido
Cierre instantáneo
Joukovsky
Cierre lento
Michaud- Vensano
Allievi
Constante del tubo Constante del tiempo Constante del gráfico
Ver Anexos [A#] a [A#]
Espesor
6

7. Ingeniería Hidráulica
Diseño de Redes de Tuberías a Presión
Según su caudal: Según se configuración:
Redes No-Homogéneas: El caudal no Abiertas o Ramificadas
es igual en todos los tramos. El caudal total es igual al caudal que
entra al tubo y al caudal de salida
Redes Homogéneas: El caudal q es Ventajas:
igual para todos los tramos. Fáciles de calcular y de
entender su funcionamiento
Más económicas
Menos accesorios
Desventajas
Una sola vía de abastecimiento
Poco control en caso de daños
Sensibles a cambios de caudal o
presión
Cerradas o anilladas
Ventajas:
Varias vías de abastecimiento
Mejor control de daños
No acumulan sedimentos
Desventajas
Son más caras
Más difíciles de calcular
Procedimiento
1. Determinar gradiente Hidráulico
2. Asignar 15 mCa al nudo crítico
3. Analizar tramo desde fuente hasta nudo crítico (i más pequeño)
4. Calcular la pérdida en el tramo del nudo crítico
5. Se calcula el Ø y se elige el diámetro comercial que se aproxime más a la
pérdida calculada
6. Calcular pérdida en el tramo que sigue hacia el tanque y se calcula el Ø
7. Se elije nuevo nudo crítico a partir de los ramales existentes
7

8. Ingeniería Hidráulica
Caudal para Redes Abiertas y homogéneas
Si QA, QB, QC, QD, QE, QF, QG son los
caudales de salida de los puntos A, B, C,
D, E, F, G en los tramos 1, 2, 3, 4, 5, 6;
entonces:
El caudal del tramo 2 es QC; el caudal del
tramo 1 ES QC+ QB
El caudal del tramo 6 es QG; el caudal del
tramo 4 es QE + QF + QG y el caudal del
tramo 3 es QD + QE + QF + QG
8

9. Ingeniería Hidráulica
Simbología Anexos
Q  Caudal [A1] Diámetro Nominal
M  Módulo de caudal
k  Constante ½” = 12 mm 3” = 75 mm
Ø  Diámetro ¾” = 18 mm 4” = 100 mm
e  espesor 1” = 25 mm 6” = 150 mm
1 ½” = 37 mm 8” = 200 mm
2” = 50 mm 10” = 250 mm
2 ½” = 62 mm 12” = 300 mm
[A2] Dotación Aproximada CR
Zona Rural 200 L × persona × día
Zona Urbana 300 L × persona × día
Zona Costera 375 L × persona × día
GAM 375 L × persona × día
*80% dotación se „devuelve‟ al
sistema
[A3] SDR  Ø/e
SDR PSI mCa Kg/cm2
41 100 70 7
32,5 125 88 8.8
26 160 112 11.2
17 250 176 17.6
Usando un Factor de Seguridad
SDR mCa máximo
32,5 70
26 90
17 140
Hierro o acero +140
9

10. Ingeniería Hidráulica
Análisis de Redes Cerradas
En cada Nodo En cada anillo En cada Tramo
Método del pseudo-anillo
Pérdidas Locales ( ht = hf + hl )
Caudal por tramo con consumo
Procedimiento
1. Calcular caudal de diseño [Qmh] y el caudal por tramo con consumo y se
divide entre dos (caudal de entrada y salida de la tubería)
2. Calculo el caudal disponible para cada nodo considerando cuantas
tuberías están conectadas al nodo.
3. Estimo usando la altura de los tanques y el diámetro de las tuberías el
caudal que conecta los tanques con la red.
4. Usando los caudales anteriores se calcula los caudales en las tuberías
considerando que la sumatoria de los caudales en cada nodo debe ser
cero.
Los caudales de las tuberías son los caudales iniciales [Q0] de los tramos.
5. Calculo las pérdidas usando Hazen-Williams y los valores dados de longitud
[l], diámetro [Ø] y caudal inicial [Q0].
6. Calculo hf/Q, recordando que debe ser siempre positivo.
7. Calculo el error en cada tramo [∆Q]
8. Calculo el caudal total: QT = Q0 + ∆Q
10

11. Ingeniería Hidráulica
Diseño de Redes Cerradas
Diámetro mínimo de 50 mm para agua potable y un error menor a 2mCa. Nótese
que se harán 2 “rutas”, para llegar del punto más alto (nodo con mayor carga
[h]) al punto más bajo (nodo con menor carga [h])
Procedimiento
1. Calculo Gradiente Hidráulico para conocer el nudo crítico principal y
secundario. Inicio el diseño en el anillo que contenga el nodo crítico
principal.
2. Del análisis de la red (u otro), obtenemos los caudales del anillo que
estamos diseñando, siendo cuidadosos con la dirección de los caudales.
3. Calculamos la carga estimada [hest] ya sea restando la carga entre los dos
puntos (en el caso que el nodo de mayor y menor sean consecutivos) o
usando trigonometría, y recordando que en cada anillo la suma de las
pérdidas debe ser cero.
4. Calculo el diámetro exacto usando Hazen-Williams y la carga “hest”.
5. Tomando el diámetro interno comercial automáticamente superior e
inferior calculo las pérdidas reales para ese diámetro y escojo la más similar
al hest.
6. Calculo la velocidad del fluido usando los diámetros internos comerciales y
el caudal de la tubería.
7. Calculo la carga en los nodos que estoy diseñando: El nodo inicial: h 0 = Z +
15 mCa, para el nodo siguiente tomamos esta carga y le restamos la
pérdida real.
8. Calculo la presión en los nodos que estamos diseñando al restar la carga
[h] a la altura de los nodos [msnm]
9. Repito el procedimiento con la otra “ruta”
11

12. Ingeniería Hidráulica
Turbo máquinas
Carga
Euler Bernoulli
Grado de Reacción
ε = 0  Máquina de acción
ε ≠ 0  Máquina de reacción
Potencia
Potencia que recibe el fluido Potencia que recibe la bomba
Eficacia de la bomba (60%-90%) Eficacia del motor
Curvas Características (Bombas y sistema)
Se desea que el punto de operación tienda a ser igual al punto del caudal
óptimo (intersección entre la curva del sistema y la curva de la bomba).
Las bombas en serie aumentan carga [H] y en paralelo aumentan caudal [Q].
Leyes de semejanza
Sí Ø1 = Ø2
Sí ω1 = ω2
12

13. Ingeniería Hidráulica
Diseño Económico simplificado de tuberías impulsión
Diámetro Económico
Bresse
Bombeo 24h Bombeo parcial
Vibert
kv = 1.55 [Bombeo 24h]
kv = 1.35 [Bombeo 10-12h]
Costos
Costo inicial y total
Costo tubería
Costo Bomba
Costo Energía mensual
Valor Presente
Tubería de succión
Altura Neta Positiva de Succión NPSH
NPSH Disponible NPSH Requerida
Pérdidas por accesorios
13

14. Ingeniería Hidráulica
Flujo Canales Abiertos
Clasificación
Variación En Tiempo Variación Espacio
Permanente No permanente Flujo Uniforme Flujo No-Uniforme
Estado de Flujo
Reinolds
Rh = Radio Hidráulico
Para Canales Abiertos Re < 500  Laminar
Re >12500  Turbulento
Efecto de la gravedad
Fr = Número de Fraude
DH = Profundidad
Hidráulica
Fr < 1 Flujo Subcrítico [V < 0]
Fr = 1  Flujo Crítico [V = 0]
Fr > 1  Flujo Supercrítico [V > 0]
Celeridad en canales
Fuerza Específica
14