escuela politécnica nacional facultad de ingeniería civil y ambiental

284 Pages·2017·8.61 MB·Spanish

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

ANÁLISIS DEL FLUJO NO PERMANENTE EN UNA
CONDUCCIÓN DE ALTA CARGA CON RAMIFICACIONES
TESIS PREVIA A OBTENCIÓN DE GRADO DE MAGISTER EN RECURSOS
HÍDRICOS
ING. MARÍA GABRIELA SORIA PUGO
[email protected]

ING. PATRICIO PEÑA CEVALLOS
[email protected]
DIRECTOR: DR. ING. MARCO A. CASTRO D
[email protected]
CODIRECTOR: ING. XIMENA HIDALGO
[email protected]
Quito, julio 2017
II

CERTIFICACIÓN
Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por los Ingenieros María
Gabriela Soria Pugo y Patricio Peña Cevallos
_________________________ _______________________
Dr. Ing. Marco A. Castro D. Ing. Ximena Hidalgo Msc.
DIRECTOR DEL PROYECTO CODIRECTOR
III

DECLARACIÓN
Nosotros, María Gabriela Soria Pugo y Patricio Peña Cevallos declaramos que el
trabajo aquí escrito es de nuestra auditoría; que no ha sido previamente
presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las
referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional, puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

___________________________ _______________________
Ing. María Gabriela Soria Pugo Ing. Patricio Peña Cevallos
IV

AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por darme salud y acompañarme constantemente.
A mis padres por su apoyo para que ahora yo este culminando esta etapa de mi
vida.
Al Dr. Ing. Marco A. Castro y a la Ing. Ximena Hidalgo por su acertada dirección
en el desarrollo de esta tesis.

Gabriela Soria Pugo
V

DEDICATORIA
Los resultados de este proyecto están dedicados a todas aquellas personas que,
de alguna forma, son parte de su culminación.
A mi familia, con mucho amor y cariño dedico todo mi esfuerzo y trabajo puesto
para la realización de esta tesis.
María Gabriela Soria Pugo
VI

AGRADECIMIENTO
Mi agradecimiento a Dios que me ha acompañado a lo largo de mi vida y que
siempre me guía en mis realizaciones y sueños.
A mi familia que siempre me ha apoyado a conseguir este título y quiero darles las
gracias por contar siempre con ellos.
Al Dr. Ing. Marco A. Castro y al Ing. Ximena Hidalgo sus acertadas direcciones en
la elaboración de esta tesis.
Ing. Patricio Peña Cevallos
VII

DEDICATORIA
Con mucho cariño este trabajo está dedicado a mis padres Adrián Patricio y María
Soledad que son mi inspiración para tomar nuevos retos porque cada día
aprehendo de sus enseñanzas.
A mi Hermano Manuel Andrés y a todos que me apoyaron en el desarrollo de esta
Tesis.
Los resultados del proyecto están dedicados a todos quienes, son parte de su
culminación.
Patricio Peña
ÍNDICE DE CONTENIDOS

CERTIFICACIÓN ................................................................................................... II
DECLARACIÓN .................................................................................................... III
AGRADECIMIENTO ............................................................................................. IV
DEDICATORIA ...................................................................................................... V
AGRADECIMIENTO ............................................................................................. VI
DEDICATORIA .................................................................................................... VII
ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................... XIII
ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................ XVII
SIMBOLOGÍA .................................................................................................... XXII
RESUMEN ....................................................................................................... XXIV
PRESENTACIÓN ............................................................................................. XXVI
CAPITULO 1 .......................................................................................................... 1
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA FÍSICO ............................................................ 1
1.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1
1.2 VARIANTE SELECCIONADA PARA LA LÍNEA DE ADUCCIÓN PTAPP –
PTAP1 Y DERIVACIONES HACIA PTAP2 Y PTAP3. ........................................ 2
1.3 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Y OPERACIÓN PARA EL
TRAZADO PTAPP – PTAP1 Y SUS DERIVACIONES HACIA PTAP2 Y HACIA
PTAP3. ................................................................................................................ 4
1.3.1 ALTERNATIVA SELECCIONADA ...................................................... 5
1.4 BASES Y CRITERIOS DEL DIMENSIONAMIENTO BÁSICO DE LA
LÍNEA (ALTERNATIVA SELECCIONADA) ......................................................... 7
1.4.1 PARÁMETROS DE DISEÑO. ............................................................. 9
1.5 ÁLISIS DEL FLUJO PERMANENTE. ...................................................... 10
1.5.1 SELECCIÓN DE LOS DIÁMETROS ................................................. 10
1.5.2 SELECCIÓN DEL TIPO Y ESPESOR DEL ACERO ........................ 12
1.5.3 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN HIDRÁULICA CON EL
PAQUETE COMPUTACIONAL WATERCAD. ............................................... 14
1.6 UBICACIÓN PRELIMINAR DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL. ........... 19
1.6.1 OBJETIVOS, ALCANCE Y LIMITACIONES: .................................... 21
1.6.2 ALCANCE ......................................................................................... 22
1.6.3 RESTRICCIONES. ........................................................................... 23
1.7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ......................................... 23
IX

CAPITULO 2 ........................................................................................................ 25
DEFINICIONES Y ANÁLISIS DEL FLUJO NO PERMANENTE EN
CONDUCCIONES A PRESIÓN – SOLUCIÓN NUMÉRICA ................................ 25
2.1 HIPÓTESIS RELEVANTES EN EL ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA
UNIDIRECCIONAL. .......................................................................................... 25
2.2 DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ........................................................ 26
2.3 ECUACIONES BÁSICAS PARA LA SOLUCIÓN DEL FLUJO NO
PERMANENTE EN CONDUCTOS A PRESIÓN. .............................................. 28
2.3.1 TEORÍA DE LA COLUMNA RÍGIDA. ................................................ 29
2.3.2 TEORÍA DE LA ELASTICIDAD......................................................... 34
2.4 PARÁMETROS DIMENSIONALES Y ADIMENSIONALES EN EL
ANÁLISIS DEL DESARROLLO DE FLUJO NO PERMANENTE. ..................... 40
2.4.1 TEOREMA DEL TRANSPORTE DE REYNOLDS ............................ 40
2.4.2 ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD. ................................................. 41
2.4.3 ECUACIONES BÁSICAS DE LA CONTINUIDAD Y MOMENTO. .... 45
2.4.4 SIMPLIFICACIÓN DE LAS ECUACIONES. ..................................... 46
2.4.5 MÉTODOS PARA RESOLVER LAS ECUACIONES DE LA
CONTINUIDAD Y EL MOMENTO. ................................................................ 47
2.4.6 MÉTODO DE LAS CARACTERÍSTICAS (MOC). ............................. 49
2.4.7 PROPAGACIÓN DE ONDA Y TIEMPO CARACTERÍSTICO. .......... 52
2.4.8 REFLEXIÓN DE ONDA Y TRANSMISIÓN. ...................................... 52
2.4.9 TIPO DE REDES Y SISTEMAS DE BOMBEO. ................................ 55
2.5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ......................................... 56
CAPITULO 3 ........................................................................................................ 57
DEFINICIONES Y CARACTERIZACIÓN DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL Y
OPERACIÓN ........................................................................................................ 57
3.1 DEFINICIÓN DE VÁLVULAS DE AIRE, DE CONTROL Y REGULACIÓN
PARA SISTEMAS A PRESIÓN ......................................................................... 57
3.1.1 VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO. ........................................... 57
3.1.2 VÁLVULAS DE CONTROL DE SOBREPRESIÓN. .......................... 58
3.1.3 CUERPOS Y ELEMENTOS TÍPICOS DE VÁLVULAS. .................... 59
3.1.4 VÁLVULA DE AIRE. ......................................................................... 63
3.2 CARACTERÍSTICAS HIDRODINÁMICAS DE LAS VÁLVULAS ............. 73
3.2.1 CARACTERÍSTICAS DE CIERRE DE LAS VÁLVULAS. ................. 73
3.2.2 ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
HIDRÁULICA DE LAS VÁLVULAS. ............................................................... 76
X

3.3 BASES Y CRITERIOS PARA LA UBICACIÓN DE LAS VÁLVULAS. ..... 81
3.3.1 VÁLVULAS DE ACCIÓN DIRECTA .................................................. 82
3.3.2 VÁLVULAS DE ACCIÓN INDIRECTA. ............................................. 86
3.4 DESCRIPCIÓN DE LA GEOMETRÍA Y DE LA UBICACIÓN PRELIMINAR
DE LAS VÁLVULAS REQUERIDAS EN EL SISTEMA. .................................... 88
3.4.1 CÁMARAS DE REGULACIÓN Y DERIVACIÓN. .............................. 90
3.5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ......................................... 92
CAPITULO 4 ........................................................................................................ 94
DESCRIPCIÓN DE LOS ESCENARIOS DE ANÁLISIS ...................................... 94
4.1 FLUJOGRAMA PARA LA SIMULACIÓN NUMÉRICA DE UN EVENTO DE
FLUJO NO PERMANENTE EN UN SISTEMA DE RED ABIERTA. .................. 94
4.1.1 GENERANDO UN MODELO. ........................................................... 94
4.1.2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO .................................................... 97
4.1.3 CONDICIONES DE BORDE. .......................................................... 101
4.1.4 FLUJOGRAMA PARA EL ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE
TUBERÍAS. .................................................................................................. 109
4.2 SÍNTESIS DE LAS ETAPAS DE OPERACIÓN DE LA LÍNEA PTAPP –
PTAP1 Y DE LAS RAMIFICACIONES. ........................................................... 112
4.2.1 VARIABLES Y DATOS DE ENTRADA. .......................................... 112
4.2.2 ELEMENTOS Y ATRIBUTOS ......................................................... 112
4.2.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS TRAMOS QUE CONFORMAN LA
LÍNEA PTAPP – PTAP1 Y DERIVACIONES HACIA PTAP2 Y HACIA PTAP3.
114
4.2.4 CAUDALES DE DISEÑO Y DE OPERACIÓN. ............................... 116
4.3 PLAN DE ESCEN.................................................................................. 119
4.4 ARIOS PRINCIPALES Y SECUNDARIOS PARA LA SIMULACIÓN
NUMÉRICA. .................................................................................................... 119
4.4.1 ESCENARIOS PRINCIPALES - FLUJO PERMANENTE ............... 120
4.4.2 ESCENARIOS SECUNDARIOS – FLUJO NO PERMANENTE...... 124
4.5 PLAN DE SIMULACIONES NUMÉRICAS PARA EL DISEÑO DE LAS
INSTALACIONES ........................................................................................... 129
4.5.1 PLAN DE SIMULACIONES NUMÉRICAS PARA LA
COMPROBACIÓN DEL DISEÑO DE LAS INSTALACIONES. .................... 129
4.6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ....................................... 131
CAPITULO 5 ...................................................................................................... 133
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO COMO SOLUCIÓN AL
PROBLEMA FÍSICO .......................................................................................... 133