SIFON INVERTIDO

SIFON INVERTIDOPreparado por: M.Cs. Ing. Francisco Huamn Vidaurre1) ELEMENTOS DE UN SIFON INVERTIDO1.1. Desarenador. Conviene localizarlo antes de la transicin de entrada.

1.2. Desage de excedencias. Para el caudal normal la cresta del vertedor estar al nivel de la superficie del agua.

1.3. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada. Se localizan a la entrada del conducto.

1.4. Transiciones de entrada y salida.Longitud de las transiciones:

(1)Profundidad de sumergencia o ahogamiento:Desde 1.1 hv hasta 1.5 hv

(2)

Donde hv es la carga de velocidad1.5. ConductoSe recomienda profundizar el conducto 1.0 m como mnimo en laderas y de 1.5 m en el cruce del cauce o depresin.Si la seccin es rectangular se recomienda adoptar la relacin H/B = 1.5La velocidad de diseo puede variar de 1.6 a 3 m/s

El sifn siempre funciona a presin, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida, por lo cual debe cumplirse que:

Fig. 1.- Ahogamiento a la entrada

(3)El sifn funciona por diferencia de cargas que absorbe todas las prdidas de energa. La diferencia de carga Z debe ser prdida de energa por friccin y locales.

Fig. 2.- Secciones de anlisis en el sifn invertido1.6. Registro para limpieza y vlvula de purga.Se coloca en la parte ms baja del conducto, permite evacuar el agua que se queda almacenada cuando se para el sifn, para su limpieza o reparacin, y consistir en vlvulas compuerta deslizante, de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar. Se pueden usar para desalojar lodos. Algunas veces estas vlvulas no se pueden colocar en la parte ms baja del sifn por tratarse del fondo del cauce de un ro. En este caso se debe succionar el agua a drena con una bomba. Estas vlvulas se protegen por medio de un registro de tabique o concreto que llega hasta la superficie del terreno.2) DISEO HIDRAULICO DE LA ENTRADA, EL CONDUCTO Y LA SALIDAPara el caso de un flujo subcrtico en el canal, la presencia del sifn invertido causa efectos hacia aguas arriba. Por lo tanto en la seccin (1) de la fig. 2 se presenta el tirante normal en el canal. 2.1. Si el conducto es cicular, el dimetro se dimensiona con la ecuacin de continuidad para una velocidad que est dentro del intervalo permisible.

2.2. A la salida del sifn se ubica una transicin y el clculo de su longitud (Ls) se hace mediante la ec. (1), en la cual:

T1 = Espejo de agua en el canal

T2 = Dimetro del conducto

La longitud de la transicin a la entrada del sifn, de rectangular a circular, se calcula mediante la siguiente expresin:Le = 1.5 D

(4)

Donde:Le = Longitud de la transicin a la entrada del sifnD = Dimetro del sifn2.3. Prdidas aproximadas y carga disponible ZZ = cota (6) cota (1)

(5)hf + hl 1.25 hf

(6)Donde:hf = Prdidas por friccin

hl = Prdidas localeshf = SE L

(7.1)

(7.2)Donde:

SE = Gradiente de la lnea de energa

L = Longitud del conducto

V = Velocidad del agua en el conducto

n = Coeficiente de rugosidad de ManningR = D/4 = Radio hidrulico para tubera llena

Cuadro N 1.- Algunos valores de n de Manning

Materialn

Acero sin pintar0.012

Fierro forjado, galvanizado comercial0.014

Plstico0.010

Si 1.25 hf < Z, continuar con el diseo.2.4. Clculo de la profundidad de agua, inmediatamente despus del conducto y prdida local por transicin, a la salida del sifn.

Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre las secciones (1) y (2):

(8.1)

Donde:Z1, Z2 = Cotas geodsicas

V1,V2 = Velocidades medias en las secciones indicadasy1 = Tirante normal en el canaly2 = Tirante a la salida del sifn

(8.2)

hts = Prdida por transicin a la salida

Fig. 3.- Ahogamiento y transicin a la salidaA la salida debe cumplirse:

(9)

2.5. Clculo de la carga de presin y prdida local en la seccin de salida del conducto.Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre (3) y (2)

(10.1)Donde:y3 D

(10.2)2.6. Clculo de la carga de presin en la seccin de entrada del conducto y prdida por friccin a lo largo de l.Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre (4) y (3)

(11.1)

Donde:

Z4 Z3 = Diferencia de cotas de los puntos (4) y (3)y4 = y3 = D

V4 = V3 = V = Velocidad en el conducto

(11.2)

2.7. Clculo de y5 y prdida en la seccin de entrada (he )

(12.1)Donde:Z5 = Z4y4 = D

(12.2)2.8. Clculo del % de ahogamiento de la entrada.

Se obtiene con la ec. (3)2.9. Clculo de y6 y la prdida por transicin de entrada (hte)

(13.1)Donde:Z6 Z5 = Diferencia de cotas entre estos dos puntos.

(13.2)2.10 Clculo de la prdida por codos

(14)Donde: = Angulo de deflexinV = Velocidad en el conducto

Si hay ms de un codo se suman las prdidas de cada uno de ellos.Cuadro N 2.- Algunos valores de K para prdidas locales

Compuerta de pared delgada-contraccin suprimida en los costados y el fondo1.00

Entrada con arista en ngulo recto0.5

Entrada con arista ligeramente redondeada 0.23

2.10. Clculo de la prdida totalhT = hte + he + hf + hc + hs + hts + hr

(15)Donde:hT = Prdida total

hte = Prdida por transicin de entrada

he = Prdida en la entrada (reduccin)

hf = Prdida por friccin en el conducto

hc = Prdida por codos

hs = Prdida a la salida (ampliacin)

hts = Prdida por transicin de salida

hr = Prdida por rejilla

(16.1)Donde:

K = 1.45 0.45 (An/Ag) (An/Ag)2

(16.2)

An= Area neta de paso a travs de la rejilla

Ag= Area neta de la estructura y su soporte, que queda dentro del agua

Vn= Velocidad del agua a travs del rea neta

(16.3)

a = Espacio libre entre barras (de 5 a 8 cm)

e = Dimensin de la barra, normal al flujo2.11. Comparar hT con Z

Si hT Z, la prdida total es absorbida por el desnivel dado.

Si hT > Z, es necesario realizar cambios en el diseo.

Verificar que se cumpla:

(17)Donde:y1 = Tirante al inicio del canal, despus de la transicin, a la salida

y6 = Tirante al final del canal de llegada, antes de la transicin

Z = Diferencia de cotas entre (1) y (6)

hT = Prdida total en el sifn

3) DISEO DEL DESARENADOR

Fig. 4.- Desarenador

(18.1)Donde:

L = Longitud de la zona de sedimentacin

H = Altura de cada de la partcula slida de diseo

Vd = Velocidad de llegadaVs = Velocidad de sedimentacin de la partcula slida

Vw = Velocidad de ascenso de la partcula slida, debido a la turbulencia

(para seccin rectangular de la zona de sedimentacin)

(18.2)

Fig. 5.- Tipos de seccin transversal de la zona de sedimentacinVw = 0.152 Vs

(18.3)Para un cada media de H< 100 m se tiene:

Tamao de partcula: 0.1 mm; Vs Vw = 0.587 cm/s

Tamao de partcula: 1.0 mm: Vs Vw = 11.87 cm/s

Tamao de partcula: 2.0 mm; Vs Vw = 1.83 m/s

Fig. 6.- Orificio de la compuerta de limpieza y5

d

D

Ahogamiento

Z

(1)

Sentido de clculo

y1

(6)

(3) (2)

(5) (4)

y6

d

y2

D

Ahogamiento

y1

(3) (2)

(1)

Le

L

Ls

Zona de sedimentacin

Zona de acumulacin de

sedimentos

Transicin

Transicin

Canaleta de limpieza, con pendiente 1% mnimo

H

Vd

Vs

Vw

H

2H

B

L

Hs

Hc

h + h

bs

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