Generalidades

Una de las funciones de un Sistema de Abastecimiento de Agua Potable es llevar el agua lo más cerca posible de los usuarios. 

Existen dos formas diferentes de hacerlo

Construyendo pozos individuales cerca de los usuarios o construyendo “una red de tuberías “que transporte el agua desde la fuente hasta el consumidor.

Para definir un proyecto de abastecimiento para una comunidad, es necesario realizar los estudios de campos correspondientes (pre factibilidad, factibilidad, levantamientos topográficos, etc.) y definir tentativamente las estructuras que han de constituirlo con el objetivo de proceder al diseño de las diferentes partes.

Para el diseño de la red es imprescindible haber definido la fuente de abastecimiento y la ubicación (tentativa por lo menos) del depósito regulador, ya que de lo contrario significaría un proyecto de escritorio sin mayor valor. 

La importancia en esta determinación radica en poder asegurar a la población el suministro suficiente y continuo de agua en cantidad y presión adecuada durante todo el período de diseño.

Red de Distribución

Conjunto de tuberías cuya función es la de suministrar el agua potable a los consumidores mediante una tubería llamada “Línea Matriz”, la cual conduce el agua al punto o a los puntos de entrada a la red de distribución.  El sistema de distribución es usualmente el más caro, dato que se debe tener presente al momento del diseño, y el más difícil de diseñar.

La red de distribución está conformada por tuberías “principales” y de “relleno”. 

La red de tuberías principales es la encargada de distribuir el agua en las diferentes zonas de la comunidad

Tuberías de relleno son las encargadas de hacer las conexiones domiciliarias. 

Los materiales más comunes de las tuberías y accesorios son; en la actualidad; en PVC y el Acero.
 

Además de las tuberías existen otros accesorios tales como válvulas de control, válvulas de purga, hidrantes, cruces, etc.

TIPOS DE REDES

Hidráulicamente, se pueden establecer redes abiertas (ramificada), redes cerradas (malladas) o redes mixtas

A) Redes abiertas

Son redes de distribución constituidas por un ramal troncal y una serie de ramificaciones o ramales que pueden constituir pequeñas mallas, o constituidos por ramales ciegos. Utilizado cuando la topografía es tal que dificulta, o no permite la interconexión entre ramales.  

Ventaja:

ser relativamente fáciles de diseñar, así como de minimizar la longitud total de la tubería y el costo.  La principal razón por la que son relativamente fáciles de diseñar es debido a que los caudales en las tuberías pueden determinarse rápidamente. 

Desventaja falta de confiabilidad: si se rompe un tubo, todos los usuarios aguas abajo se quedaran sin agua.

B) Redes cerradas:

 Son aquellas redes constituidas por tuberías interconectadas formando mallas.  Este tipo de red de distribución es el más conveniente y tratará siempre de lograrse mediante la interconexión de las tuberías, a fin de crear un circulo cerrado que permita un servicio más eficiente y permanente.

 Sin embargo, a diferencia de las redes ramificadas o abiertas, la determinación de los caudales en las tuberías requiere de cálculos tediosos que, a excepción de los circuitos simples, no pueden ser hechos a mano, sino que necesitan de una computadora.

C) Redes mixtas:

La mayoría de las redes son una combinación de ramales simples y redes abiertas y cerradas, por lo que se han denominado redes mixtas.  Típicamente constan de un ramal simple que conduce el agua hasta la comunidad, una red cerrada en la zona central del pueblo en conde hay muchas casas y establecimientos, así como ramales en la periferia del pueblo donde la densidad poblacional es baja.

Nodo definiciones

Intersección de 2 ó más tuberías principales.

Todo punto de alimentación de la red y derivación de caudal.

Tramos no mayores de 500 a 600 mts.

Especificaciones de diseño

Caudales de diseño

La red de distribución debe prestar un servicio eficiente y continuo, por lo cual su diseño debe atender a la condición más desfavorable. 

Presiones de servicios

Cuanto más alto esté el depósito regulador o el nivel dinámico si es por bombeo, se dispondrá de mayor carga para vencer la fricción, lo que hace posible usar tuberías de menor diámetro en la red. 

Válvulas

Se deben colocar válvulas de cortina a lo largo de la red con el fin de poder aislar sectores en caso de roturas de las tuberías o de incendio y seguir suministrando el agua al resto de la población (Sectorización de redes).

Velocidad de diseño

Velocidad Mínima

En general, para evitar deposiciones en las tuberías, la velocidad mínima es fijada entre 0.25 y 0.40 m/seg., dependiendo de la calidad del agua. Para las aguas que contienen ciertos materiales en suspensión (líneas de aguas crudas, aguas residuales, etc.),  la velocidad no debe ser inferior a 0.60 m/seg. 

Velocidad Máxima

La velocidad máxima, en las tuberías, generalmente depende de los siguientes factores: Condiciones económicas; posibilidad de aparición de efectos dinámicos nocivos (sobrepresiones); limitación de la pérdida de carga; desgaste de las tuberías y piezas; ruidos desagradables, etc.  El límite máximo es, por lo tanto, recomendado para cada caso.

Como resumen, podemos diseñar para una velocidad máxima de 1.50 m/seg para zonas urbanas y de 2.00 m/seg para zonas rurales.

Localización de tuberías

Las tuberías de distribución deben proyectarse para todas las calles a las que dan frente uno o más lotes de viviendas, provocando siempre formar mallas.

Se deben proyectar para colocarse en el lado de la calle que tenga mayor número de conexiones, dejando el centro de la calle para las cloacas.

Asignación de los gastos en los tramos

Para el dimensionamiento de una red tratamos de encontrar los gastos de circulación para cada tramo, basándonos en algunas hipótesis de cálculo tendientes a determinar los gastos en cada nodo (es decir, distribuir el caudal de diseño entre cada nodo).

Método de las Áreas

Consiste en determinar el caudal de diseño general para toda la comunidad o los caudales de diseño para diferentes sectores de la comunidad y las áreas de influencia de cada nodo, a fin de definir una demanda unitaria por unidad de área (unitario).  La determinación del caudal a ser asignado debe basarse en un conocimiento de la densidad de la población y las carácterísticas generales de la zona.

Método de la repartición media

Este método para la determinación de los caudales nodales está bastante generalizado.  Consiste en la repartición del gasto por mitad de todos los tramos que convergen al nodo.  Por lo tanto, en este método la demanda unitaria se define por unidad de longitud.

GOLPE DE ARIETE

El fenómeno del golpe de ariete, también denominado transitorio, consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir,  básicamente es una variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad.

Por lo tanto, el correcto estudio del golpe de ariete es fundamental en el dimensionamiento de las tuberías, ya que un cálculo erróneo puede conducir a:

1. Un sobredimensionamiento de las conducciones, con lo que la instalación se encarece de forma innecesaria

2. Tubería calculada por defecto, con el consiguiente riesgo de que se produzca una rotura

Golpe de Ariete en Abastecimiento por gravedad

Si el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada y mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más próxima a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por la que viene detrás.

Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que le precede hasta que se anule su velocidad.

Golpe de Ariete en impulsiones

En una impulsión, la parada brusca de motores produce el mismo fenómeno, pero al contrario, es decir, se inicia una depresión aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse en compresión que retrocede a la bomba.

Valor de la Celeridad

La celeridad (a) es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua contenida en la tubería, por lo que su ecuación de dimensiones es L × T-1

Su valor se determina a partir de la ecuación de continuidad y depende fundamentalmente de las carácterísticas geométricas y mecánicas de la conducción, así como de la compresibilidad del agua.

Tiempo de cierre de la válvula y tiempo de parada de bombas

Se define el tiempo (T) como el intervalo entre el inicio y el término de la  maniobra, sea cierre o apertura, total o parcial, ya que durante este tiempo se produce la modificación del régimen de movimiento del fluido.

Este concepto es aplicable tanto a conducciones por gravedad como a impulsiones, conocíéndose en el primer caso como tiempo de cierre de la válvula y como tiempo de parada en el segundo.

El tiempo de cierre de una válvula puede medirse con un cronómetro, es un tiempo físico y real, fácilmente modificable, por ejemplo, con desmultiplicadores, cambiando la velocidad de giro en válvulas motorizadas, etc.

Por el contrario, en el caso de las bombas, el tiempo de parada no puede medirse de forma directa y es más difícil de controlar.

Método para reducir el efecto del golpe de ariete

Volante de inercia

Consiste en incorporar a la parte rotatoria del grupo de impulsión un volante cuya inercia retarde la pérdida de revoluciones del motor, y en consecuencia, aumente el tiempo de parada de la bomba, con la consiguiente minoración de las sobrepresiones.

Este sistema crea una serie de problemas mecánicos, mayores cuanto mayor sea el peso del volante.

Chimeneas de equilibrio

Consiste en una tubería de diámetro superior al de la tubería, colocada verticalmente y abierta en su extremo superior a la atmósfera, de tal forma que su altura sea siempre superior a la presión de la tubería en el punto donde se instala en régimen permanente.

facilita la oscilación de la masa de agua, eliminando la sobrepresión de parada, por lo que sería el mejor sistema de protección si nofuera pos aspectos constructivos y económicos. Sólo es aplicable en instalaciones de poca altura de elevación.

Válvulas de alivio rápido

Son de dispositivos que permiten de forma automática y casi instantánea la salida de la cantidad necesaria de agua para que la presión máxima en el interior de la tubería no exceda un valor límite prefijado.

Suelen proteger una longitud máxima de impulsión el orden de 2 km. Los fabricantes suelen suministrar las curvas de funcionamiento de estas válvulas,  hecho que facilita su elección en función de las carácterísticas de la impulsión..

Calderín

Consiste en un recipiente metálico parcialmente lleno de aire que se encuentra comprimido a la presión manométrica. Existen modelos en donde el aire se encuentra aislado del fluido mediante una vejiga, con lo que se evita su disolución en el agua.

El calderín amortigua las variaciones de presión debido a la expansión prácticamente adiabática del aire al producirse una depresión en la tubería, y posteriormente a la compresión, al producirse una sobrepresión en el ciclo de parada y puesta en marcha de una bomba.

Su colocación se realiza aguas debajo de la válvula de retención de la bomba. Se instala en derivación y con una válvula de cierre para permitir su aislamiento

Válvulas anticipadoras de onda

Estas válvulas están diseñadas para que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y cuando se produce la depresión inicial, de tal forma que cuando vuelva a la válvula la onda de sobrepresión, ésta se encuentre totalmente abierta, minimizando al máximo las sobrepresiones que el transitorio puede originar.

Ventosas

Dependiendo de su función, permiten la eliminación del aire acumulado en el interior de la tubería, admisión de aire cuando la presión en el interior es menor que la atmosférica y la eliminación del aire que circula en suspensión en el flujo bajo presión.

Válvulas de retención

Estas válvulas funcionan de manera que sólo permiten el flujo de agua en un sentido, por lo que también se conocen como válvulas anti-retorno.

Válvulas de retención tipo clapeta

Sus limitaciones son:  No se pueden instalar verticalmente cuando la corriente va hacia abajo. No funcionan correctamente cuando la velocidad del agua sobrepasa los 1.5 m/s.  No funcionan correctamente cuando las presiones estáticas empiezan a ser elevadas.

Válvulas de retención tipo clapeta simple

Son de fácil construcción. El disco se levanta por acción del agua hasta unos noventa grados. Su cierre suele ser muy brusco y entonces produce un golpetazo que repercute en las tuberías y en otros elementos adyacentes y puede originar un fuerte golpe de ariete.

Válvulas de retención tipo clapeta simple con contrapeso

Aminora en cierta medida la brusquedad en el cierre.

Válvulas de retención tipo clapeta simple con corto recorrido de clapeta

Supone una mejora extraordinaria en la válvula simple, pues al tener la clapeta un menor recorrido no produce apenas golpetazo y puede admitir velocidades y presiones mayores.  Esta válvula se puede utilizar también con aguas sucias.

Válvulas de retención tipo clapeta simple con sistema amortiguador y contrapeso

Supone una mejora sobre las anteriores. El contrapeso permite regular in situ la cadencia del cierre hasta optimizarla. El amortiguador deja que la válvula se cierre en un 90 % antes de empezar a actuar, y de esta manera, el 10 % final del recorrido de la clapeta está controlado.

Válvulas de retención con clapeta de eje semicentrado

Es la válvula de clapeta que se puede considerar más fiable. En las anteriores, la clapeta gira por medio de una bisagra colocada en su extremo, mientras que en esta válvula la clapeta gira en dos semiejes descentrados que evitan que se produzca golpetazo. Es la que produce menos pérdida de carga, son de coste más bien elevado y no se deben usar con aguas negras.

Válvulas de retención de semiclapeta doble o de disco partido

La clapeta o disco se ha partido en dos y las bisagras se colocan en un eje centrado. Los semidiscos van ayudados en el cierre por unos muelles, pero a pesar de ello, no se deben colocar para flujos verticales hacia abajo.