Taller Epanet y Excel [PDF]

Zitiervorschau

SISTEMA DE REDES CERRADAS Y ABIERTAS (SOLUCIÓN HARDY CROSS – EXCEL, EPANET)

JOSE LEONARDO MENDOZA VELOZA Cod. 1014241820

UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2018

Universidad La Gran Colombia

SISTEMA DE REDES CERRADAS Y ABIERTAS (SOLUCIÓN HARDY CROSS – EXCEL, EPANET)

JOSE LEONARDO MENDOZA VELOZA Cod. 1014241820

Profesor: I.C. EDGAR ORLANDO LADINO MORENO, MSc

UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2018

2

Ingeniería Civil

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TABLA DE CONTENIDO

pág.

LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... 6 LISTA DE TABLAS ............................................................................................................ 8 LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................ 10 RESUMEN....................................................................................................................... 12 1

INTRODUCCIÓN................................................................................................. 7

2

JUSTIFICACIÓN ................................................................................................. 8

3

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ............... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

4

OBJETIVOS ........................................................................................................ 9

5

METODOLOGÍA ................................................................................................ 10

6

MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ....................................................... 11

6.1

ENFOQUE TEÓRICO.............................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

7

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 16

7.1

SOLUCIÓN 1 (EXCEL) ...................................................................................... 16

7.2

SOLUCIÓN 1 (EPANET) ................................................................................... 17

7.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................ 17

8

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 17

8.1

SOLUCIÓN 2 (EXCEL) ...................................................................................... 18

8.2

SOLUCIÓN 2 (EPANET) ................................................................................... 18

8.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 2 ............................................................ 18

9

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 18

9.1

SOLUCIÓN 3 (EXCEL) ...................................................................................... 19

9.2

SOLUCIÓN 3 (EPANET) ................................................................................... 19

9.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 3 ............................................................ 19

10

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 19

10.1

SOLUCIÓN 4 (EXCEL) ...................................................................................... 20

10.2

SOLUCIÓN 4 (EPANET) ................................................................................... 20

10.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 4 ............................................................ 21

3

Ingeniería Civil

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11

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 21

11.1

SOLUCIÓN 5 (EXCEL) ...................................................................................... 22

11.2

SOLUCIÓN 5 (EPANET) ................................................................................... 22

11.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 5 ............................................................ 22

12

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 22

12.1

SOLUCIÓN 6 (EXCEL) ...................................................................................... 23

12.2

SOLUCIÓN 6 (EPANET) ................................................................................... 23

12.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 6 ............................................................ 24

13

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 24

13.1

SOLUCIÓN 7 (EXCEL) ...................................................................................... 25

13.2

SOLUCIÓN 7 (EPANET) ................................................................................... 25

13.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 7 ............................................................ 25

14

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 25

14.1

SOLUCIÓN 8 (EXCEL) ...................................................................................... 25

14.2

SOLUCIÓN 8 (EPANET) ................................................................................... 25

14.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 8 ............................................................ 25

15

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 26

15.1

SOLUCIÓN 9 (EXCEL) ...................................................................................... 26

15.2

SOLUCIÓN 9 (EPANET) ................................................................................... 26

15.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 9 ............................................................ 26

16

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 26

16.1

SOLUCIÓN 10 (EXCEL) .................................................................................... 27

16.2

SOLUCIÓN 10 (EPANET) ................................................................................. 27

16.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 10 .......................................................... 27

17

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 27

17.1

SOLUCIÓN 11 (EXCEL) .................................................................................... 28

17.2

SOLUCIÓN 11 (EPANET) ................................................................................. 28

17.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 11 .......................................................... 28

18

PROBLEMA HIDRÁULICO 1 ............................................................................. 28

18.1

SOLUCIÓN 12 (EXCEL) .................................................................................... 28

18.2

SOLUCIÓN 12 (EPANET) ................................................................................. 28

18.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 12 .......................................................... 28

4

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18.4

RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................ 28

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 105 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 107 NORMATIVIDAD ........................................................................................................... 110 ANEXOS ....................................................................................................................... 111

LISTA DE FIGURAS

pág.

LISTA DE TABLAS

pág.

5

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RESUMEN

En este trabajo se desarrollaran doce (12) ejercicios propuestos en clase, cada uno de ellos se desarrollaran mediante la aplicación Epanet, el cual es un programa para el análisis de sistemas de distribución de agua potable. El programa es capaz de trabajar con períodos de simulación sobre hidráulica y el comportamiento de la calidad de las aguas dentro de una red presurizada, dichos resultados serán comprobados mediante las macros realizadas en el programa Excel con las formulas trabajadas en la clase de “Hidráulica aplicada”.

6

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1

INTRODUCCIÓN

En la hidráulica se conjuga los principios teóricos con la aplicación técnica de la Mecánica de Fluidos, es decir, pretende transmitir los conceptos fundamentales de las leyes que rigen el comportamiento de los fluidos, para que se puedan entender y abordar problemas reales de ingeniería en sus diversos campos de aplicación. En muchos casos en la problemática de la ingeniería civil en el campo de la hidráulica los problemas son más complicados, ya que implican más de un conducto o conducto único con secciones variables, tal es el caso de las redes de distribución de agua reticulares o malladas en las que para garantizar el suministro de agua, el conjunto de mallas y conductos permiten que aunque una tubería rompa el suministro pueda quedar asegurado en cualquier zona. Este trabajo aborda algunos de estos problemas complejos de flujo en tuberías, tales como tuberías equivalentes, tuberías en serie y en paralelo, tuberías o redes ramificadas y redes malladas o reticuladas.

7

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2

JUSTIFICACIÓN

El manejo de programas de cómputo es ahora un requisito laboral en la mayoría de las empresas. Este trabajo tiene la finalidad de profundizar y complementar los conocimientos ya adquiridos en el aula de clase, mediante el desarrollo de los ejercicios propuestos en el Software Epanet.

8

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3

OBJETIVOS

Objetivo general: 

Desarrollar los ejercicios en base a los conocimientos aprendidos.

Objetivos específicos: 

Ampliar nuestros conocimientos sobre Dinámica de Fluidos.



Reconocer las fórmulas que intervienen en este tema y hacer un correcto uso de ellas en el desarrollo de ejercicios.

9

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4

METODOLOGÍA

Para el desarrollo del taller propuesto se utilizaron dos herramientas de computo enunciadas a continuación: 

Epanet: Epanet es un programa para el análisis de sistemas de distribución de agua potable. El programa es de dominio público y es desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. El programa es capaz de trabajar con períodos de simulación sobre hidráulica y el comportamiento de la calidad de las aguas dentro de una red presurizada, además de estar diseñada para ser "una herramienta de investigación que mejore nuestro conocimiento del movimiento y destino del agua potable y sus constituyentes en una red de aguas".1 Si bien fue diseñado para agua potable también puede ser utilizado para el análisis de cualquier fluido no compresible con flujo a presión.



Excel: Mediante esta herramienta se generan los algoritmos necesarios que permitan la solución de cada uno de los problemas plantados, teniendo en cuenta las formulas estudiadas en clase para la elaboración de las macros propuestas.

.

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5 5.1

MARCO TEÓRICO

SISTEMAS DE TUBERÍAS

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma. El manejo de los fluidos en superficie provenientes de un yacimiento de petróleo o gas, requieren de la aplicación de conceptos básicos relacionado con el flujo de fluidos en tuberías en sistemas sencillos y en red de tuberías, el uso de válvulas accesorios y las técnicas necesarias para diseñar y especificar equipos utilizados en operaciones de superficie. Los fluidos de un yacimiento de petróleo son transportados a los separadores, donde se separan las fases líquidas y gaseosas. El gas debe ser comprimido y tratado para su uso posterior y el líquido formado por petróleo agua y emulsiones debe ser tratado para remover el agua y luego ser bombeado para transportarlo a su destino. El estudio del flujo en sistemas de tuberías es una de las aplicaciones más comunes de la mecánica de fluidos, esto ya que en la mayoría de las actividades humanas se ha hecho común el uso de sistemas de tuberías. Por ejemplo la distribución de agua y de gas en las viviendas, el flujo de refrigerante en neveras y sistemas de refrigeración, el flujo de aire por ductos de refrigeración, flujo de gasolina, aceite, y refrigerante en automóviles, flujo de aceite en los sistemas hidráulicos de maquinarias, el flujo de de gas y petróleo en la industria petrolera, flujo de aire comprimido y otros fluidos que la mayoría de las industrias requieren para su funcionamiento, ya sean líquidos o gases. El transporte de estos fluidos requiere entonces de la elaboración de redes de distribución que pueden ser de varios tipos: • Tuberías en serie. • Tuberías en paralelo. • Tuberías ramificadas. • Redes de tuberías

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5.2

SISTEMAS DE TUBERÍAS

Los sistemas de tuberías están formados por tramos de tuberías y aditamentos que se alimentan aguas arriba por un depósito o una bomba y descargan aguas abajo libremente a la atmósfera o a otro depósito. En cualquier sistema de tuberías se pueden presentar los tres problemas hidráulicos vistos anteriormente: cálculo de pérdidas, comprobación de diseño y diseño de la tubería. Siempre se trata de llegar a sistemas determinados en que a partir de unos datos se tienen inequívocamente n incógnitas para n ecuaciones. 5.2.1

SISTEMAS SENCILLOS

Están compuestos por un conducto único alimentado en el extremo de aguas arriba por un depósito o por una bomba y descargan a otro depósito o a la atmósfera. El conducto tiene una longitud determinada y accesorios que producen pérdidas de energía. Las ecuaciones básicas son la de la energía y la de continuidad para una vena líquida:

Ecuación 25. Ecuación de la energía para sistemas sencillos

Ecuación 26. Formula de continuidad para sistemas sencillos

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5.2.2

TUBERÍAS EN SERIE

Se habla de tuberías en serie cuando se quiere llevar el fluido de un punto a otro punto por un solo camino. En este caso se cumplen las siguientes leyes: Los caudales son los mismos para cada uno de los tramos de tubería:

ECUACIÓN 27. FORMULA DE ENERGÍA PARA TUBERÍAS EN SERIE

IMAGEN 18.SISTEMA DE TUBERÍA EN SERIE

Se pueden resolver diversos tipos de problemas, los más comunes son el cálculo del caudal en un sistema de tuberías dado, el cálculo del tamaño requerido de tubería para manejar un caudal dado y el cálculo de la potencia necesaria de una bomba o altura piezométrica requerida para manejar un caudal dado en una tubería dada. Estos tres tipos de problemas se representan en la tabla siguiente:

TABLA 5. DIFERENTES TIPOS DE PROBLEMAS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS EN SERIE

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5.2.3

TUBERÍAS EN PARALELO

Se habla de tuberías paralelo cuando se establecen varios caminos para llevar el fluido de un punto a otro. Como en el ejemplo de la figura: En este caso se cumplen las leyes siguientes: El caudal total será igual a la suma de los caudales de cada rama:

ECUACIÓN 28.FORMULA DE CAUDALES PARA TUBERÍAS EN PARALELO

ECUACIÓN 29.FORMULA DE PERDIDAS PARA TUBERÍAS EN PARALELO

5.2.4

TUBERÍAS RAMIFICADAS

Se habla de tuberías ramificadas cuando el fluido se lleva de un punto a varios puntos diferentes. Este caso se presenta en la mayoría de los sistemas de distribución de fluido, por ejemplo una red de tuberías de agua en una vivienda, como el ejemplo de la figura. En este caso el sistema de tuberías se subdivide en ramas o tramos, que parten de un nodo hasta el nodo siguiente. Los nodos se producen en todos los puntos donde la tubería se subdivide en dos o más, pudiéndose añadir nodos adicionales en los cambios de sección para facilitar el cálculo. En este caso para cada nodo se cumple la ecuación de continuidad:

ECUACIÓN 30. FORMULA DE CONTINUIDAD PARA TUBERÍAS RAMIFICADAS

y en cada tramo, entre dos nodos, se cumple la ecuación de Bernoulli generalizada:

ECUACIÓN 32.FORMULA DE ENERGÍA PARA TUBERÍAS RAMIFICADAS

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5.2.5

SISTEMA DE TUBERÍAS EN MALLAS

Se habla de redes de tuberías cuando el fluido se lleva de un punto hacia diversos puntos a través de varios caminos. Este tipo de configuración es común en sistemas de acueductos, en donde se forman ramificaciones complicadas formando mallas. Esta configuración posee la virtud de permitir realizar reparaciones a algún sector del sistema sin tener que interrumpir el suministro. El cálculo de sistemas de tuberías de este tipo es laborioso y se hace por el método de aproximaciones sucesivas de Hardy Cross. En un sistema de este tipo se cumplen las siguientes leyes: Ley de pérdida de carga. En cada tubería se cumple:

ECUACIÓN 34. PRINCIPIO PARA LA PERDIDA DE CARGA EN MALLAS

En donde el valor de R se puede calcular por cualquiera de los métodos, sin embargo por la complejidad del cálculo para tuberías de agua a temperaturas normales se suele usar aquí el método de Hazen-Williams. De esta forma se tiene un valor de R que no depende del número de Reynolds, por lo cual este se puede mantener constante para todo el cálculo. En general en la solución de problemas de mallas se suelen despreciar las pérdidas secundarias en los nodos del mismo, pero se toma en cuenta el resto de las pérdidas secundarias. Ley de nodos. El caudal que sale de un nodo debe ser igual a la suma de los caudales que salen de un nodo.

ECUACIÓN 35. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD EN MALLAS

Ley de las mallas. La suma algebraica de las pérdidas de carga en una malla debe ser cero.

ECUACIÓN 36. PRINCIPIO EN LAS PERDIDAS DE CARGA EN MALLAS.

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6

6.1

PROBLEMA HIDRÁULICO 1

SOLUCIÓN 1 (EXCEL)

16

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6.2

SOLUCIÓN 1 (EPANET)

6.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 1 7

PROBLEMA HIDRÁULICO 2

17

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7.1

SOLUCIÓN 2 (EXCEL)

7.2

SOLUCIÓN 2 (EPANET)

7.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 2 8

PROBLEMA HIDRÁULICO 3

18

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8.1

SOLUCIÓN 3 (EXCEL)

8.2

SOLUCIÓN 3 (EPANET)

8.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 3

9

PROBLEMA HIDRÁULICO 4

Determine el caudal a la salida de la tubería de P.V.C representada en el esquema.

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9.1

SOLUCIÓN 4 (EXCEL)

9.2

SOLUCIÓN 4 (EPANET)

20

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9.3

ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 4

10 PROBLEMA HIDRÁULICO 5

21

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10.1 SOLUCIÓN 5 (EXCEL) 10.2 SOLUCIÓN 5 (EPANET) 10.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 5

11 PROBLEMA HIDRÁULICO 6

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11.1 SOLUCIÓN 6 (EXCEL)

11.2 SOLUCIÓN 6 (EPANET)

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11.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 6

12 PROBLEMA HIDRÁULICO 7

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12.1 SOLUCIÓN 7 (EXCEL)

12.2 SOLUCIÓN 7 (EPANET)

12.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 7

13 PROBLEMA HIDRÁULICO 8

13.1 SOLUCIÓN 8 (EXCEL) 13.2 SOLUCIÓN 8 (EPANET) 13.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 8

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14 PROBLEMA HIDRÁULICO 9

14.1 SOLUCIÓN 9 (EXCEL) 14.2 SOLUCIÓN 9 (EPANET) 14.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 9

15 PROBLEMA HIDRÁULICO 10

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15.1 SOLUCIÓN 10 (EXCEL) 15.2 SOLUCIÓN 10 (EPANET) 15.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 10 16 PROBLEMA HIDRÁULICO 11

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16.1 SOLUCIÓN 11 (EXCEL) 16.2 SOLUCIÓN 11 (EPANET) 16.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 11

17 PROBLEMA HIDRÁULICO 12

17.1 SOLUCIÓN 12 (EXCEL) 17.2 SOLUCIÓN 12 (EPANET) 17.3 ANÁLISIS PROBLEMA HIDRÁULICO 12

17.4 RESULTADOS OBTENIDOS

28

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Como producto principal de la presente investigación se pretende obtener la siguiente matriz de objetivos:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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BIBLIOGRAFÍA

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Anexos

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