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1.4: Diseño de sistemas

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    Resultados de aprendizaje de los estudiantes

    Después de leer este capítulo, deberías poder:

    • Explicar cómo la disponibilidad y confiabilidad del agua fuente afecta el diseño del sistema de distribución
    • Describir las tres configuraciones principales del sistema de distribución
    • Evaluar los principales requisitos, que afectan la cantidad de almacenamiento del sistema de distribución
    • Analizar y describir los principales tipos de mapas del sistema de distribución

    Al diseñar un sistema de distribución de agua hay que considerar muchas cosas diferentes. Por ejemplo, las siguientes preguntas son algunas que podrían considerarse:

    • ¿Para qué se utilizará el agua?
    • ¿Es una pequeña comunidad campesina o una gran ciudad metropolitana industrial?
    • ¿La comunidad crecerá en tamaño?
    • ¿Hay otras fuentes de suministro disponibles?

    La planeación es un paso importante en el diseño de un sistema de distribución de agua. La mayoría de las comunidades tempranas se construyeron alrededor de una fuente de agua, algún lugar donde había agua disponible. Esto obviamente facilitó mucho la planificación y el diseño. Sin embargo, a medida que los pueblos se convirtieron en pueblos y a medida que las comunidades comenzaron a extenderse mucho más allá de las fuentes originales de suministro, la planificación y el diseño se volvieron más difíciles e importantes. A continuación se muestra una lista de algunas cosas que deben considerarse antes o durante el diseño de los sistemas de distribución.

    1. Disponibilidad de agua — ¿Existe un suministro de agua disponible para satisfacer las demandas actuales y futuras?
    2. Confiabilidad de la fuente — ¿Qué tan confiable es la fuente o fuentes de suministros?
    3. Calidad del agua — ¿La calidad actual del agua cumple con las normas reglamentarias?
    4. Ubicación — ¿Cuál es la ubicación de la comunidad en relación con las fuentes de abastecimiento? ¿Cuál es la topografía de la comunidad?
    5. Requisitos locales, estatales y federales — Además de las regulaciones de calidad del agua, existen otras regulaciones locales, estatales y federales

    Vamos a desglosar cada uno de estos artículos con un poco más de detalle.

    Disponibilidad de Agua

    No es por casualidad que los primeros pobladores y fincas se encontraban muy cerca de ríos y lagos. Estos cuerpos de agua proporcionaban una fuente de agua dulce para beber y bañarse. Además, proporcionó una buena fuente de alimento. Además de los peces, otros animales se reunirían alrededor de fuentes de agua. A medida que las comunidades comenzaron a crecer, la disponibilidad de agua se hizo cada vez más importante. A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, Los Ángeles dependía principalmente de los suministros locales de agua subterránea. Sin embargo, a medida que la población comenzó a expandirse rápidamente, se hizo evidente la necesidad de otra fuente de suministro. En ese momento, William Mulholland era el Superintendente de La Compañía de Agua de Los Ángeles y fue fundamental para traer agua de la zona de Owens Valley en el norte, poniéndola a disposición para que Los Ángeles pudiera continuar expandiéndose.

    Llevar agua del norte al sur de California requirió un extenso sistema de tuberías de transmisión. Una vez que el agua llegó a Los Ángeles, una red de sistema de distribución permitió que la gente residiera y se extendiera por toda la zona. Un sistema de transmisión de agua generalmente se compone de tuberías de gran diámetro que llevan agua a áreas, que carecen de suministros de agua disponibles. En contraste, un sistema de distribución de agua dispersa el agua en un área determinada a través de tuberías de menor diámetro. Los diámetros y tipos de tuberías se discutirán con más detalle más adelante en este texto.

    Confiabilidad del agua

    El acceso al agua de diferentes fuentes y ubicaciones, como en el caso de Los Ángeles, permitió que las ciudades crecieran a un ritmo rápido. A principios del siglo XX, William Mulholland se dio cuenta de que las aguas subterráneas locales que servían a la ciudad de Los Ángeles no sostendrían a la creciente población y descubrió otra fuente de abastecimiento hacia el norte. En este caso, el Valle de Owens no sólo proporcionó un suministro adicional (disponibilidad) para Los Ángeles, sino que también incrementó la confiabilidad del suministro para la región. Múltiples suministros de agua aumentan la confiabilidad. Por ejemplo, si un área depende de un suministro de agua superficial como su principal fuente y no hay suficiente precipitación al año para sostener el suministro superficial, un sistema local de aguas subterráneas puede complementar la demanda.

    En un sistema de distribución que cuenta con tuberías, que se interconectan, puede proporcionar un suministro más confiable en caso de roturas de tuberías o fallas del sistema. Por ejemplo, una red de gasoductos de red (discutida más adelante en este capítulo) brinda servicio de agua desde múltiples direcciones permitiendo que el agua sea servida a clientes desde más de una ubicación. Tener un suministro confiable de agua y un sistema redundante de tuberías es fundamental para un sistema de distribución de agua eficiente. Además, contar con fuentes de energía de respaldo para operar bombas en caso de cortes de energía también proporciona una mayor confiabilidad.

    Calidad del Agua

    Además de contar con un suministro de agua disponible y confiable, es importante contar con un suministro, que cumpla con los estándares de calidad del agua. Un suministro de agua segura es tan importante como cualquier otra consideración a la hora de diseñar un sistema de distribución de agua. En los casos en que la calidad del agua de origen no cumpla con las regulaciones de agua potable, se puede implementar el tratamiento. Sin embargo, si las fuentes de suministro no se encuentran en ubicaciones centralizadas, el costo del tratamiento puede ser prohibitivo. Por ejemplo, si una empresa de servicios de agua tiene múltiples pozos de agua potable y estos pozos están repartidos por todo el sistema de distribución o varias millas, el tratamiento centralizado sería difícil. Si cada uno de estos pozos estuviera contaminado, podría significar que se necesitarían instalar sistemas de tratamiento individuales en cada ubicación. El costo de los sistemas de tratamiento individuales suele ser más costoso que un sistema de tratamiento centralizado. En contraste, si estos pozos se encuentran muy cerca unos de otros, se podría instalar un sistema de tratamiento centralizado. Esto podría reducir significativamente el costo del tratamiento.

    El costo del tratamiento es pagado por cada cliente a través de tarifas de agua. Por lo tanto, en comunidades más pequeñas, cualquier tipo de tratamiento podría ser costoso causando consecuencias devastadoras para los residentes. Esto es puramente una cuestión de “economía de escala”. Por ejemplo, si el Departamento de Agua y Energía de Los Ángeles (LADWP) tuviera que proporcionar tratamiento en un pozo de agua subterránea, el costo de este tratamiento se distribuiría entre su base de tarifas (número total de clientes que pagan). LADWP tiene cientos de miles de clientes que pagan. Sin embargo, si una pequeña empresa de abastecimiento de agua rural con solo unos pocos cientos o incluso miles de clientes necesitara el mismo tipo de tratamiento, podría terminar siendo prohibitivo en términos de costos.

    Ubicación

    La siguiente área que debe considerarse es la ubicación. Cuando se trata de bienes raíces, el mantra común es “ubicación, ubicación, ubicación”. Bueno, este tipo de habla también fiel a un sistema de distribución de agua. La ubicación proporciona disponibilidad de agua, confiabilidad y calidad. Esto no quiere decir que no se pueda traer agua a zonas donde no existe naturalmente, sino que sí tiene un costo adicional. El agua de buena calidad, fácilmente disponible y confiable será considerablemente más barata que si se necesita importar agua limpia y confiable a largas distancias.

    La ubicación también tiene que ser considerada cuando se trata del diseño real de un sistema de agua. Por ejemplo, ¿se va a construir la distribución de agua en una zona, que está sujeta a temperaturas bajo cero? De ser así, esto afectará la profundidad de la infraestructura del sistema de distribución de agua así como los accesorios sobre el suelo como las bocas de incendio. Si una boca de incendios está llena de agua y la temperatura ambiente está por debajo del punto de congelación durante largos períodos de tiempo, el agua dentro de la boca de riego puede congelarse haciendo que la boca de riego sea inoperable. La topografía también afectará el diseño del sistema. ¿Existen amplios rangos de elevación del sistema de distribución de agua propuesto o la topografía es relativamente plana y uniforme? Si hay una amplia variación en las elevaciones, podría requerirse bombeo adicional, así como otros accesorios en comparación con un área donde el terreno es plano. Otras cosas que pueden afectar el diseño del sistema de distribución basado en la ubicación son cosas como la corrosividad del suelo y la geología local. Esto puede afectar los tipos de material utilizado para cosas como tuberías, así como el proceso de instalación.

    Requerimientos Locales, Estatales y Federales

    Las regulaciones dictarán la calidad mínima del agua y algunos estándares y detalles de diseño del sistema. Estos estándares y detalles pueden ir desde permitir la instalación de instalaciones hasta regulaciones muy específicas de calidad del agua potable. Cada estado, condado y ciudad puede tener diferentes criterios que pueden afectar el diseño e instalación de un sistema de distribución de agua.

    Como mínimo, todos los servicios públicos de agua deben cumplir con las regulaciones federales de calidad del agua potable. Estas regulaciones sin embargo, pueden variar de estado a estado. Las regulaciones estatales de calidad del agua potable deben ser al menos tan estrictas como las normas federales, pero pueden ser más estrictas. Un ejemplo de esto es con el cromo constituyente. Existen varios niveles de cenefa de cromo, siendo el cromo VI el más común. Sin embargo, la Ley Federal de Agua Potable Segura (SDWA) y California (SDWA) tienen un nivel máximo de contaminantes (MCL) para el cromo “total”. Este es el nivel máximo de todas las cenefas de cromo permitidas en el agua potable. En la SDWA federal, el MCL para el cromo total es de 100 microgramos por litro (ug/L) y en California, el nivel es de 50 ug/L Este es un ejemplo donde la regulación estatal de la calidad del agua es más estricta que la exigencia federal.

    Cuando se trata de criterios de diseño e instalación, puede haber una serie de requisitos locales, que incluyen permisos de excavación, distancias de compensación de otras instalaciones, así como otras condiciones. Es importante que el equipo de diseño entienda estos requisitos y ayude a planificarlos antes y durante la instalación de las instalaciones de distribución.

    Además de estas consideraciones a la hora de diseñar un sistema de distribución, hay una variedad de otros criterios que deben ser considerados. A continuación no se muestra una lista exhaustiva, sino que abarca diversos ítems que también deben ser considerados.

    • Crecimiento futuro — En muchas áreas, hay o habrá planes de crecimiento futuro. Algunas de estas proyecciones de crecimiento se entienden a través de documentos de planeación local, mientras que otras áreas podrían no tener tanto detalle. Independientemente, siempre es prudente trabajar con las agencias locales sobre el potencial de planes de desarrollo y crecimiento futuros. Esto es particularmente importante cuando se trata del dimensionamiento de las instalaciones. Por ejemplo, si una tubería para un número existente de viviendas solo necesita tener seis (6) pulgadas de diámetro, pero necesitará abastecer a muchas más viviendas en el futuro, podría ser prudente aumentar el tamaño de la tubería en previsión de este crecimiento futuro. Esto también es cierto para las instalaciones de bombeo y almacenamiento. Es importante que los servicios de agua comprendan el crecimiento demográfico proyectado de su área, comprendan las demandas de agua proyectadas existentes y futuras, y qué tipo de requisitos de protección contra incendios se necesitan para cada tipo de clase de cliente.
    • Costo y financiamiento — El costo es otro elemento importante a considerar al diseñar y construir un sistema de distribución nuevo o expandir un sistema de distribución existente. ¿A quién se beneficia el trabajo que se está realizando? Es la expansión del sistema de distribución para un nuevo desarrollo o es para mejorar el servicio para los clientes existentes. Muchas veces si se está planificando un nuevo desarrollo, el propietario (desarrollador) de la propiedad será responsable de pagar los costos asociados con la ampliación del sistema de distribución. Sin embargo, el desarrollador también debería ser responsable de pagar una parte del costo del sistema de agua existente también. ¿Por qué podrías preguntar? Bueno, mientras que el sistema de agua existente está beneficiando a los clientes existentes, una parte del sistema existente también proporcionará algún beneficio al nuevo desarrollo. Comprender este costo proporcional está más allá del alcance de este capítulo y se trataría con más detalle en un texto relacionado con las tarifas del agua. Sin embargo, es importante entender que construir un nuevo sistema de distribución o expandir un sistema de distribución existente es bastante costoso y este costo debe ser compartido por los clientes que reciben beneficios. A veces, un desarrollador paga por parte o la totalidad de un proyecto de sistema de distribución, mientras que otras veces la empresa de servicios públicos puede llevar deuda para financiar ciertos proyectos y luego distribuir el costo a sus clientes a lo largo del tiempo.

    Disposición del sistema de distribución

    La planeación es un paso importante en el diseño del diseño de un sistema de distribución de agua. Si bien todos los ítems discutidos anteriormente deben ser considerados antes y durante las etapas de planeación, existen otros elementos de planeación relacionados con “tuercas y tornillos” para diseñar el diseño de un sistema de distribución.

    Los sistemas de distribución son comúnmente diseñados por el departamento de ingeniería de servicios públicos, mientras que otras veces se utilizan consultores de ingeniería. Independientemente de quién sea el ingeniero, planificar el diseño del diseño es un paso crítico en cualquier sistema de distribución. Los cálculos deben completarse para dimensionar adecuadamente las instalaciones, los ductos y los diversos accesorios de un sistema de distribución. Algunos de los ítems que se consideran son los siguientes:

    • Demandas de agua
    • Caudales
    • Velocidad de flujo
    • Requisitos de flujo de fuego
    • Topografía
    • Presión
    • Requerimientos de energía
    • Selección de material
    • Propiedad de la tierra

    Esta no es de ninguna manera una lista exhaustiva. Sin embargo, debe proporcionar algunas ideas sobre las cosas, que se consideran a la hora de planificar y diseñar un sistema de distribución. Estos y otros elementos ayudan a determinar qué materiales se seleccionan, el tamaño de las instalaciones necesarias y cómo se diseñan y finalmente se instalan las cosas.

    Si bien la mayor parte de la planeación y diseño de sistemas de distribución se realiza en la oficina con ingenieros profesionales, también se debe consultar a los operadores de distribución. Desafortunadamente, a veces se pasa por alto este paso de discutir la planeación y diseño de un sistema de distribución con operadores de campo. Muchas veces, los pasos de planeación y diseño ocurren sin el aporte de las mismas personas que estarán instalando y operando los sistemas que se diseñan. Puede parecer obvio consultar a los operadores de distribución, pero ¿por qué entonces a menudo se pasa por alto? Se recopila mucha información durante la fase de planeación y diseño. Una de las cosas más importantes a revisar son los planos llamados dibujos como construidos. Un dibujo como construido es simplemente eso, es un plano que se modifica después de que se instaló y “como se construyó”. Incluso después de que todo se considere durante la etapa de planeación y diseño, cuando los planes de diseño llegan al campo y las instalaciones están realmente instaladas, las cosas a menudo se ajustan y cambian durante la instalación. Estos cambios y ajustes son el resultado de conflictos que no fueron identificados en los planes de diseño y pueden terminar costando significativamente más de lo que se propuso inicialmente. Si bien la idea de poder evitar todos los conflictos no es concebible, consultar con los empleados de campo antes de que se completen los planes de diseño puede ayudar a reducir algunos de estos conflictos imprevistos.

    Configuraciones de diseño de distribución

    Una de las cosas más importantes detrás de la funcionalidad de un sistema de distribución es el layout o configuración. Hay tres (3) configuraciones comunes de sistemas de distribución. Estos son los sistemas de asa arterial, ceñido y árboles. Cada uno se explicará a continuación. Si bien algunos de estos pueden ser una configuración de instalación más preferida e ideal, a veces no se pueden evitar diseños menos deseables. El objetivo principal de un sistema de distribución de agua bien diseñado es proporcionar una buena calidad de agua a presiones aceptables para los clientes de la compañía. Para cumplir con estos y otros objetivos como satisfacer las demandas de agua requeridas de los clientes, que incluyen flujos para combatir incendios y limitar el número de clientes fuera del agua durante las interrupciones, el diseño de un sistema de distribución de agua es sumamente importante.

    Sistema de bucle arterial

    La idea detrás de un sistema de bucle arterial es proporcionar flexibilidad al suministrar agua al sistema de distribución desde múltiples ubicaciones. Este sistema intenta rodear el sistema de distribución con tuberías de agua de mayor diámetro. Esto proporciona flujos adecuados (volúmenes de agua) al sistema de distribución de interconexión desde diferentes ubicaciones. Las redes arteriales se construyen en el perímetro de un sistema de distribución trayendo un flujo principal de suministro de agua desde varias ramas. Un sistema de bucle arterial normalmente tiene tuberías de diámetro muy grande (conocidas como tuberías de transmisión) que proporcionan agua a tuberías de menor tamaño pero aún de gran diámetro (conocidas como redes arteriales), que luego alimentan agua a redes más pequeñas (conocidas como redes de distribución), y finalmente, estas tuberías distribuyen agua a los clientes. Consulte el diagrama de ejemplo a continuación.

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Sistema de Distribución de Bucle Arterial de Mike Alvord está licenciado bajo CC BY 4.0

    Sistema de Rejilla

    Un sistema de cuadrícula es uno de los diseños de sistemas de distribución más deseables. Pueden proporcionar agua a todos los clientes de múltiples áreas. Esta configuración permite que el agua circule por todo el sistema proporcionando mejor calidad de agua, presiones y caudales. Otro beneficio positivo para un sistema de red es la capacidad de limitar el número de clientes que están fuera del agua durante las interrupciones de cosas como las roturas principales de agua. La principal diferencia entre un asa arterial y un sistema de rejilla simple es que el sistema de rejilla que se muestra a continuación es alimentado típicamente por una sola transmisión y/o principal arterial.

    Macintosh HD:Usuarios:Drovla:Escritorio:Screen Shot 2017-10-29 a las 12.09.28 PM.png
    Figura\(\PageIndex{2}\): Grid System de Mike Alvord está licenciado bajo CC BY 4.0

    Sistema de árbol

    Este tipo de sistema de distribución es el diseño menos deseable. Un sistema de árbol normalmente es alimentado por una principal más grande y luego se ramifica a una red de distribución más pequeña. Sin embargo, como se muestra a continuación, la red de distribución de un sistema arbóreo termina en algo denominado “callejones sin salida”. Los callejones sin salida son donde una tubería de agua termina al final de un callejón sin salida u otra área donde no puede conectarse a otra tubería principal de distribución. Los callejones sin salida pueden reducir la calidad del agua, la presión y el flujo. Si una tubería principal de distribución sin salida es demasiado grande, el agua en la tubería puede estancarse y causar problemas indeseables de sabor, olor y color de calidad del agua. Por lo tanto, las redes de agua sin salida a veces son de tamaño insuficiente y luego pueden resultar en presiones y flujos reducidos.

    Figura\(\PageIndex{3}\): Tree System de Mike Alvord está licenciado bajo CC BY 4.0

    Accesorios

    Un accesorio es un término genérico para accesorios asociados a un sistema de distribución en funcionamiento. En este capítulo, solo nos centraremos en los dos últimos accesorios de la lista a continuación. La mayoría de los demás de la lista a continuación serán discutidos con más detalle más adelante en este texto.

    • Válvulas
    • Hidrantes
    • Codo y ángulos
    • Racores
    • Blow offs
    • Válvulas de aire y vacío (airvac)

    En los sistemas de distribución de agua donde hay puntos altos y bajos (cambios de elevación topográfica) se utilizan comúnmente soplos y airvacs. Cuando tienes puntos bajos en las tuberías de agua, los escombros (arena, suciedad) pueden acumularse en la parte inferior de las tuberías. También, como se mencionó anteriormente, el agua puede estancarse al final de las tuberías (callejones sin salida). En estas situaciones, se instalan golpes. Los soplos permiten a los operadores del sistema de distribución lavar el agua para eliminar cualquier agua o escombros estancados. En contraste, el aire puede acumularse en puntos altos de una tubería. Para eliminar el aire, se instalan válvulas de aire y vacío para liberar automáticamente el aire del sistema de distribución. A continuación se presentan algunos ejemplos de estos accesorios.

    El aviador senior Brad Stevens, oficial de sistemas de agua y combustibles del 36o Escuadrón de Ingenieros Civiles, realiza una prueba de flujo de boca de incendios el 30 de abril en la Base de la Fuerza Aérea Andersen, Guam. Los mantenedores de sistemas de agua y combustibles también reparan, mantienen o reemplazan lavadoras, asientos de válvulas, grifos con fugas y líneas de agua interior, exterior y alcantarillado. (Foto de la Fuerza Aérea de Estados Unidos por el aviador de 1ª Clase Joshua Smoot/Liberada)
    Figura\(\PageIndex{4}\): Imagen de la Base de la Fuerza Aérea Anderson es de dominio público
    Válvula de aire (modelo y funcionamiento)
    Figura\(\PageIndex{5}\): La imagen de Shigeru23 está licenciada bajo CC BY-SA 3.0
    Racor de tubería de
    Figura\(\PageIndex{6}\): Acoplamiento de tubería acodado — La imagen de Cschirp está licenciada bajo CC BY-SA 3.0
    Boca de incendios en el centro de Charlottesville
    Figura\(\PageIndex{7}\): La boca de incendios del centro de Charlottesville de Ben Schumin está licenciada bajo CC BY-SA 2.5

    Demandas del sistema de agua

    Como se mencionó anteriormente en este capítulo, la demanda de agua es un parámetro importante, el cual se revisa al planear y diseñar un sistema de distribución de agua. La demanda de agua incluye una serie de cosas incluyendo la demanda de todos los clientes dentro de un sistema de distribución (residencial, comercial, industrial) y la demanda para combatir incendios. Es importante identificar no solo la demanda promedio de un sistema de distribución, sino también la cantidad máxima de agua que se demanda en un día determinado y la demanda máxima durante una hora determinada del día. Estos tres (3) factores de demanda son críticos en el diseño de un sistema de distribución y se definen a continuación.

    • Demanda Media Diaria (ADD) — La demanda diaria promedio es el uso total del agua del sistema de distribución a lo largo de un (1) año, que luego se divide por 365 días. En el diseño de un nuevo sistema de distribución sin ningún usuario existente, las proyecciones de uso del suelo se utilizan comúnmente para estimar la cantidad de agua, que será utilizada por futuros usuarios.
    • Demanda Máxima Diaria (MDD) — La demanda máxima del día se determina observando la demanda completa a lo largo de un (1) año y determinando el día con el uso más alto (máximo) en un periodo de veinticuatro (24) horas. Las demandas diarias generalmente se calculan utilizando medidores de producción de instalaciones de suministro que llevan agua a un sistema de distribución.
    • Demanda de horas pico (PHD) — La demanda de horas pico es el mayor consumo de agua en un período de una (1) hora. Este número de demanda se puede medir por medidores de producción, pero también se puede estimar a través de cálculos.

    Demandas de flujo de fuego

    Las demandas de agua residenciales, comerciales e industriales son importantes para diseñar un sistema de distribución. Sin embargo, los flujos de fuego son un componente crítico, especialmente cuando se dimensionan las instalaciones de almacenamiento y bombeo. Los flujos de fuego son comúnmente el factor determinante al dimensionar los sistemas de agua en comunidades más pequeñas que atienden a una población de menos de 50,000 personas. Los flujos de fuego se determinan a través de una variedad de criterios de incendio y código de construcción determinados por la Oficina de Servicios de Seguros (ISO). Los departamentos y organizaciones locales de bomberos suelen ser responsables de proporcionar esta información y orientación a los servicios públicos de agua. Entre otros criterios, la ISO identifica diámetros mínimos de tubería para usos específicos, así como requisitos de presión y flujo. La mayoría de las áreas tienen el requisito de que las presiones no caigan por debajo de veinte (20) libras por pulgada cuadrada (psi). Los requisitos de flujo variarán según el tipo de uso, como escuelas, edificios comerciales y áreas residenciales.

    Análisis de Redes

    Los ingenieros utilizan una variedad de herramientas al planificar y diseñar un sistema de agua para determinar el tamaño de las instalaciones, lo que dictará la presión y la velocidad del agua que fluye a través de las tuberías. La presión dentro de un sistema de distribución está determinada principalmente por la elevación de las instalaciones de almacenamiento dentro del sistema. La presión se mide comúnmente en libras por pulgada cuadrada (psi). Una (1) libra por pulgada cuadrada equivale a 2.31 pies de elevación, conocida como “presión de cabeza”. Por lo tanto, si un tanque de almacenamiento de agua se encuentra a cien (100) pies sobre un servicio de agua, la presión posterior sería de 43.3 psi. Matemáticamente, esto se logra dividiendo 100 pies por 2.31 (ver más abajo).

    • 100 Pies x 1 psi2.31 pies=43.3psi

    Esta presión es una presión teórica en un sistema de distribución de agua. A medida que el agua se mueve a través de tuberías y los diversos accesorios a lo largo de un sistema de distribución, la presión se reduce debido a la fricción. La rugosidad del interior de la tubería, el diámetro de la tubería, los cambios de dirección de la tubería y las válvulas, todos tienen un efecto en la velocidad y presión del flujo de agua. Un cálculo estándar utilizado por los ingenieros para determinar esta pérdida de carga por fricción es la ecuación de Hazen-Williams. Otra fórmula de uso común es la ecuación de Darcy-Weisbach. Estas ecuaciones están más allá del alcance de este texto y más allá del conocimiento necesario para que los operadores de sistemas de distribución realicen sus trabajos de manera adecuada. Por lo tanto, se discuten en este capítulo, pero no serán utilizados ni explicados más allá de la naturaleza general de su uso por parte de los ingenieros. Dado que la ecuación de Hazen-Williams es ideal para fluidos como el agua que fluye a temperaturas ordinarias (40 ° a 75° F) es la fórmula más utilizada. Esta ecuación se utiliza para identificar la suavidad (rugosidad) del interior de una tubería de agua. Cuanto más áspero sea el interior de la tubería, más pérdida de fricción se observará. Esta ecuación relaciona el flujo de agua en una tubería con las propiedades físicas de la tubería y la caída de presión causada por la fricción. El valor resultante se conoce como el Factor C. Cuanto mayor sea el factor C, más suave será el interior de la tubería y menos pérdida de carga por fricción. Cuanto menor sea el factor C, más áspero será el interior de la tubería, lo que resulta en una mayor pérdida de carga por fricción. La siguiente tabla muestra algunos materiales típicos de tubería y los correspondientes factores C.

    Material

    Hazen-Williams

    Asbesto Cemento

    140

    Fundición-Hierro 20 años

    89-100

    Cast-Iron 40 años

    64-83

    Acero

    140-150

    Hierro dúctil (revestido con cemento)

    120

    Hierro dúctil

    140

    PVC (C900/905)

    150

    Otra herramienta que utilizan los ingenieros para determinar los diversos parámetros de un sistema de distribución de agua es un modelo de agua hidráulica. Los modelos de agua pueden ayudar a determinar los flujos y presiones esperados a lo largo de una red del sistema de distribución y a veces pueden reflejar con precisión lo que ocurre en el sistema Si bien estos modelos pueden ser precisos en la predicción de presiones y flujos, también es útil calibrar estos modelos de computadora con datos de campo reales. Los registradores de presión se pueden colocar en todo un sistema de distribución en cosas como bocas de incendio para medir y registrar la presión en un sistema de distribución durante un período de tiempo. Algunos equipos de bombeo también pueden estar equipados con dispositivos para medir la presión en el lado de succión y descarga de una bomba.

    La presión es un parámetro importante para medir y monitorear dentro de un sistema de distribución. Algunos sistemas pueden tener presiones excesivas de agua o presiones muy bajas. Esto presenta un problema tanto para los operadores de servicios públicos como para los clientes. Si las presiones son demasiado bajas, es posible que los clientes no puedan operar cosas como sistemas de rociadores de riego. Si las presiones son demasiado altas, las cosas pueden fallar prematuramente debido a la presión excesiva. Bajo condiciones de flujo normales, las presiones aceptables están comúnmente dentro del rango de cuarenta (40) psi a ciento cincuenta (150) psi. Sin embargo, a veces ciertas áreas dentro de un sistema de distribución, las presiones pueden superar incluso estos valores relativamente altos o caer por debajo de los niveles aceptables. Por lo tanto, entender cuáles van a ser las presiones dictará qué tipos de materiales (especialmente tuberías) son aceptables. La resistencia de la tubería se expresa comúnmente en términos de resistencia a la tracción y flexión. Además de las cargas internas expresadas en las tuberías, también hay cargas externas como el tráfico que circula sobre tuberías enterradas bajo tierra o la cantidad de tubería que puede doblarse o flexionarse.

    • Resistencia a la Tensión — Esta es la medida de la resistencia que tiene una tubería a la tracción longitudinal o longitudinal que tiene antes de que falle. Cuando el flujo de agua cambia de dirección dentro de una red de sistema de distribución, puede poner este tipo de fuerzas contra la tubería. Por lo tanto, el material elegido puede ser crítico.
    • Resistencia a la flexión: esta característica es la capacidad de una tubería para doblarse o flexionarse sin romperse. Si el lecho de la zanja (suciedad) no es plano o si la tubería que se instala necesita doblarse ligeramente a medida que la carretera serpentea hacia la izquierda o hacia la derecha, los diferentes materiales de la tubería tienen diferentes capacidades para doblarse o flexionarse

    Si una tubería no tiene la resistencia adecuada, entonces puede ocurrir la posibilidad de que se rompa una tubería de agua (principal). Si la tierra se desplaza durante un terremoto, por ejemplo, una tubería puede romperse en lo que se conoce como rotura por cizalladura. Si una tubería enterrada se soporta de manera desigual, se puede producir una rotura de viga. Además, si las presiones internas superan la presión de operación aceptable de una tubería, también puede romperse. Por lo tanto, comprender las presiones dentro de un sistema de distribución y los materiales adecuados para usar en diferentes circunstancias es un aspecto importante de la planificación y el diseño.

    Ruptura de tubería bajo calle en Los Ángeles
    Figura\(\PageIndex{8}\): Imagen del Departamento de Bomberos de Los Ángeles está licenciada bajo CC BY-ND 2.0
    Wildwood Roble Puente Fuga
    Figura\(\PageIndex{9}\): Imagen de Mike Alvord está licenciada bajo CC BY 4.0

    Mapeo (Planos)

    Una vez finalizada toda la planeación y seleccionados los criterios de diseño, los ingenieros se ponen a trabajar en la creación de planos (o planos) de diseño para que los equipos de construcción los utilicen durante la fase de instalación (construcción). Estos “planos de construcción” y las especificaciones que los acompañan no solo son importantes para que las tripulaciones construyan e instalen adecuadamente las instalaciones del sistema de distribución, sino que también se utilizan en el proceso de presupuestación (estimación). Una vez que se completa un conjunto de planes, los contratistas pueden proporcionar ofertas o estimaciones de costos. Las estimaciones incluirán el costo de materiales, mano de obra y equipo necesarios para la construcción.

    Existen diversos tipos de planes para un sistema de distribución. Estos suelen incluir planes de tuberías, planos de estaciones de bombeo, planes de fuentes de suministro (es decir, pozos de agua subterránea) y planes de instalaciones de almacenamiento (tanques de almacenamiento sobre el suelo). Cada conjunto de planos contará con la información pertinente para la construcción y el material necesario. Por ejemplo, un conjunto de planos de estaciones de bombeo tendrá todo el equipo mecánico y eléctrico necesario. Estos planes detallarán la instalación que alberga este equipo. La instalación puede ser tan simple como una cerca encadenada o tan elaborada como un edificio con paredes de bloques con techo. Las especificaciones serán lo suficientemente detalladas para que el contratista que realice el trabajo sepa qué equipo de bombeo, válvulas, tuberías, motores y cualquier otro elemento requerido para construir una estación de bombeo en pleno funcionamiento.

    Una vez construidas las instalaciones, se actualizan los planos para reflejar cualquier cambio que se haya producido durante el proceso de construcción. Incluso en los planes de diseño más minuciosamente preparados, las cosas a menudo cambian cuando realmente se construyen. Por lo tanto, es responsabilidad del contratista de construcción conformar los planos para que el ingeniero modifique y actualice. Estos planos actualizados se conocen como planos de construcción. Una vez que se hayan preparado los planos de construcción, deben ser proporcionados a los operadores de distribución para futuras referencias. Estos mapas dan a los operadores de distribución información sobre todas las instalaciones existentes para fines de localización y operación. Cada empresa de servicios de agua tendrá sus propios estándares y estilos de mapeo, pero normalmente, hay tres (3) tipos principales de mapas. Estos son mapas integrales, seccionales y de válvulas e hidrantes.

    • Los mapas integrales describen todo el sistema de distribución. Son útiles para comprender las diversas zonas de presión, ubicaciones generales de tuberías e instalaciones más grandes, y comúnmente describen todo el límite del área de servicio de la empresa.
    • Los mapas seccionales proporcionan una imagen más detallada del sistema de distribución a mayor escala. Si bien estos mapas son similares a los mapas completos, tienen más detalles. Por ejemplo, los mapas seccionales mostrarán las distancias entre las tuberías principales de agua y otros servicios públicos enterrados como las tuberías de alcantarillado y drenaje pluvial. Estos mapas ayudan a los operadores de distribución a identificar qué lado de los ductos de la calle se encuentran y proporcionan el tamaño y el material también.
    • Los mapas de válvulas e hidrantes muestran la ubicación precisa de las válvulas del sistema de distribución y las bocas de incendio. Esta información es extremadamente importante para que los operadores de distribución puedan identificar rápidamente qué válvulas deben aislarse (cerrarse) cuando hay una ruptura principal de agua. Estos mapas son comúnmente utilizados por los operadores de distribución para actividades de mantenimiento de válvulas e hidrantes. Muchas veces los bomberos locales solicitarán copias de estos mapas para que tengan una comprensión más clara de las ubicaciones de las bocas de incendio.

    El diseño de un sistema de distribución de agua es un proceso importante para que una compañía de agua pueda proporcionar a sus clientes un suministro de agua confiable y de alta calidad. Generalmente participan múltiples departamentos, así como consultores externos para planificar, diseñar y construir adecuadamente un sistema de distribución, que cumpla con todas las leyes y regulaciones requeridas y opere de manera eficiente y funcional.

    Preguntas de muestra

    1. ¿Cuál de las siguientes es la configuración del sistema más deseable?
      1. Aro arterial
      2. Árbol
      3. Rejilla
      4. Depende del sistema
    2. Los callejones sin salida causan ___________.
      1. Caudal restringido
      2. Agua estancada
      3. Cortes de agua durante los descansos
      4. Todo lo anterior
    3. Se deben instalar soplos ___________.
      1. En puntos altos
      2. Puntos bajos
      3. Intervalos regulares
      4. Solo en grandes líneas principales
    4. Se deben instalar válvulas de aire y vacío ___________.
      1. En puntos altos
      2. Puntos bajos
      3. Intervalos regulares
      4. Solo en grandes líneas principales
    5. ISO significa ___________.
      1. Organización de Servicios de Seguros
      2. Oficina de Servicios de Seguros
      3. Organización de estándares de seguros
      4. Oficina de Normas de Seguros

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