tecnologias apropiadas en agua y saneamiento rural
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OPS-COSUDE/04-06
Memoria del Taller
TECNOLOGIAS APROPIADAS EN AGUA Y SANEAMIENTO RURAL
Cámaras rompe presión en sistemas de agua y tratamiento de aguas residuales
Auditorio CEPIS – 21 de junio 2006
Lima, junio de 2006
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Memoria del Taller TECNOLGIAS APROPIADAS EN AGUA Y SANEAMIENTO RURAL
Cámaras rompe presión en sistemas de agua y tratamiento de aguas residuales
Contenido
Página 1. Antecedentes ................................................................................................................3 2. Objetivos del Taller .....................................................................................................4 3. Metodología del Taller ................................................................................................4 4. Expositores y temas .....................................................................................................4 5. Participantes ................................................................................................................5 6. Desarrollo del evento ...................................................................................................5 6.1 Bienvenida e introducción al taller ......................................................................5 6.2 Abastecimiento de agua .......................................................................................6 6.3 Saneamiento..........................................................................................................9 7. Conclusiones .............................................................................................................10 Anexo 1 Programa..................................................................................................................13 Anexo 2 Participantes ............................................................................................................14 Anexo 3 Ponencias.................................................................................................................15
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TALLER SOBRE TECNOLOGIAS EN AGUA Y SANEAMIENTO RURAL
Cámaras rompe presión en sistemas rurales de agua y tratamiento de aguas residuales
Lima, 21 de junio de 2006 _________________________________________________________________________ 1. Antecedentes
La población rural actual del país es de aproximadamente 7,9 millones de habitantes (35 por ciento de la población total), de los cuales alrededor de 3,0 millones no tienen acceso al agua potable y 5,5 millones carecen de una adecuada eliminación de excretas y aguas residuales1.
Del total de localidades con servicio de agua potable, se estima que sólo el 30 por
ciento recibe los servicios en condiciones apropiadas en cantidad, calidad y continuidad; que alrededor del 40 ciento tiene sus servicios con problemas de gestión y su infraestructura se encuentra en mal estado y, que el 30 por ciento restante tiene sus servicios en estado deficiente o no funcionan. En lo que se refiere a condiciones de saneamiento para las comunidades rurales, se estima que un 40 por ciento tiene acceso a una letrina o a un sistema de alcantarillado convencional, pero estos son carentes de sostenibilidad2.
La insuficiencia de servicios de agua y saneamiento adecuados en el ámbito rural
incide directamente en: mortalidad infantil, elevados índices de prevalencia de enfermedades de transmisión fecal – oral, inasistencia a las escuelas debido a las EDAs o al cumplimiento de la tarea de acarreo del agua y la pérdida de horas–hombre laborales y disminución de la productividad por enfermedades vinculadas a la carencia o mala calidad de los servicios de agua y saneamiento, que afectan la precaria economía del poblador rural.
Desde el 2004 el Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento, a través del Programa Nacional de Agua y Saneamiento Rural (PRONASAR) viene promoviendo la implementación y/o rehabilitación de sistemas de agua y saneamiento rural mediante operadores Técnico Sociales y Supervisores, fortaleciendo a gobiernos locales para que asuman su rol supervisor de las Juntas Administradoras de su jurisdicción, quienes operan y mantienen los sistemas garantizando la sostebibilidad en el tiempo.
La cooperación internacional desde la década de los 80s y a través de ONGs y convenios bilaterales con el Gobierno, viene desarrollando actividades encaminadas a mejorar las condiciones sanitarias de las áreas rurales, mediante la aplicación de tecnologías apropiadas que incluyen facilidades para una mejor gestión, operación y mantenimiento de los sistemas, cuyos resultados están muy poco difundidos. 1 Plan Nacional de Saneamiento, MVCS,2006 2 PRONASAR - MVCS
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En este contexto la OPS/OMS en el marco del convenio con la COSUDE organizó un Taller sobre tecnologías en agua y saneamiento rural para el 21 de junio de 2006, contando con el apoyo del Grupo de Concertación Sectorial para la divulgación y convocatoria. 2. Objetivos del Taller 2.1 Difundir tecnologías aplicadas en sistemas de agua potable rural en líneas de
conducción y redes de distribución desarrolladas por socios del Grupo de Concertación Sectorial.
2.2 Presentar experiencia con biofiltros para el tratamiento de aguas residuales en
pequeñas ciudades. 3. Metodología del Taller
El Taller fue diseñado de manera que se presenten de manera secuencial tres bloques con los siguientes temas: 3.1 Experiencias con dispositivos para líneas de conducción, que incluyen aspectos
conceptuales, detalles y ventajas. 3.2 Experiencias con dispositivos para redes de distribución, contemplando criterios,
detalles y ventajas. 3.3 Experiencia con biofiltros para el tratamiento de aguas residuales, introducción al
tema, experiencias en Centroamérica.
Cada exposición tuvo una duración promedio de 20 minutos. Las rondas de preguntas fueron establecidas luego de cada bloque.
Para el final del Taller se fijó un espacio para tomar acuerdos sobre los resultados del
Taller y establecer temas para próximos eventos similares, este espacio fue conducido por un funcionario del Programa de Agua y Saneamiento (PAS/Banco Mundial).
El programa se adjunta como Anexo 1. 4. Expositores y temas
Los expositores y temas abordados fueron: Abastecimiento de agua
• Ing. Julio Páucar Olórtegui; CARE Huaráz Cámaras rompe presión en líneas de conducción de sistemas de agua
rural
• Ing. Roger Agüero Pittman; Servicios Educativos Rurales, SER
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Línea de conducción en sistemas de agua potable por gravedad • Ing. Ivan Chocano, SUM Canadá
- Cámaras distribuidoras de caudal en redes de distribución
• Ing. Nicolás Marinof; Consultor Líneas de conducción de flujo libre: Una opción para disminuir el
número de cámaras rompe presión. Reservorios rompe presión: Una alternativa más sostenible que las
cámaras rompe presión.
• Ing. Herberth Pacheco; Proyecto SANBASUR Cámara rompe presión en PVC para red de distribución y flotadores
para reservorios.
• Ing. Luis Valencia, OPS/OMS Tecnologías en agua y saneamiento rural
Tratamiento de aguas residuales • Ing. Martín Gauss, Consultor PAS/Banco Mundial
Uso de la tecnología de biofiltros para el tratamiento de aguas residuales: La experiencia de Nicaragua.
5. Participantes
El taller contó con 38 participantes, representantes del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento, SEDAPAL, proyectos PROPILAS Care y SANBASUR, de ONGs, organismos de cooperación internacional OPS/OMS, OPS/CEPIS-BS, PAS/Banco Mundial, COSUDE y entidades de vinculadas a los programas que implementa el PRONASAR.
La relación de participantes se adjunta en el Anexo 2.
6. Desarrollo del evento 6.1 Bienvenida e introducción al evento
Funcionarios del OPS/CEPIS-BS y de la Representación de la OPS/OMS en el Perú
dieron la bienvenida a los participantes, haciendo mención de la importancia de la reunión y su connotación para contribuir a brindar servicios seguros de agua y saneamiento en bien de la salud de los pobladores del sector rural.
El programa del taller contempló dos bloques de exposiciones: a) abastecimiento de
agua, referida principalmente a dispositivos de rompe presión en líneas de conducción y redes
6
de distribución, y b) tratamiento de aguas residuales mediante el empleo de biofiltros, cada uno de ellos con una sección de preguntas a los expositores. Como introducción al Taller la OPS/OMS presentó un panorama general del uso de tecnologías en agua y saneamiento para el medio rural, enfatizando los principales factores que favorecen la sostenibilidad de los servicios que redundan en el bienestar y estado de salud de la población más vulnerable.
6.2 Abastecimiento de agua;
Las exposiciones según la secuencia del programa reflejaron experiencias
desarrolladas por las instituciones a quienes representaban, destacando en cada caso lo siguiente:
a) Cámaras rompe presión en líneas de conducción de sistemas de agua rural:
CARE presentó dos experiencias: Tubo rompe carga y el pedestal de aires.
El tubo rompe carga sustituye a la tradicional CRP-6, cumpliendo las mismas funciones de este dispositivo, tiene la ventaja de requerir mínima operación y mantenimiento. En la fig. 1 se muestra detalle de este dispositivo.
Fig. 1: Tubo rompe carga El pedestal de aire, es un dispositivo que elimina el aire atrapado en la tubería de conducción de manera automática y permanente. Se instala en puntos altos y en zonas de contrapendientes, nunca en zonas de presión. Detalle en Fig. 2
Fig. 2: Pedestal de aire
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b) Línea de conducción en sistemas de agua potable por gravedad: La presentación de Servicios Educativos Rurales, se refirió a la importancia de los criterios de diseño, selección de materiales y la correcta ubicación de dispositivos en las líneas de conducción, contribuyen a la sostenibilidad técnica de estas instalaciones; hizo notar que las mayores dificultades en la conducción se refieren generalmente a procesos constructivos y a la clase de tuberías utilizadas. En la Fig. 3 se muestra detalle típico de diseño.
Fig. 3: Clase de tuberías en conducción c) Líneas de conducción de flujo libre: Esta opción sugerida fue utilizada por el
expositor como responsable técnico en la ONG ProAnde en Andahuaylas – Apurímac; se basa en el concepto de buscar que la tubería trabaje como canal, para ello combina zonas de presión y topografía del terreno. Recomienda su aplicación en poblaciones dispersas menores de 300 habitantes. En la Fig. 4 se presenta uno de los casos presentados.
Fig. 4: Mecanismo no regulable de control de caudal
d) Cámaras repartidoras de caudal: Experiencia presentada por SUM Canadá que permite asegurar que los caudales sean distribuidos en proporción a la
A
B
C
Q1
P = 0
Q1 P > 0
LGH 1
Flujo libre
LGH 2
AA
B
CC
Q1
P = 0
Q1 P > 0
LGH 1
Flujo libre
LGH 2
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demanda de los sectores o ramales que se derivan de ella, su mayor ventaja es la continuidad y equidad del servicio y su fácil operación y mantenimiento. La Fig. 5 muestra la pantalla de distribución de la cámara.
Fig. 5: Pantallas de distribución por orificios y por vertederos e) Reservorios rompe presión: Experiencia de ProAnde en Andahuaylas que
permite reemplazar las cámaras rompe presión por pequeños depósitos de ferrocemento con o sin válvulas flotadoras; su aplicación ha sido posible en localidades muy dispersas con resultados favorables en relación a sostenibilidad y gestión así como la continuidad del servicio. En la Fig. 6 se muestra comparación entre sistema convencional frente a la propuesta.
Fig. 6: Comparación en aplicación de reservorios rompe presión
f) Cámaras rompe presión en PVC para red de distribución y flotadores para reservorios: SANBASUR ha venido buscando soluciones para sustituir las válvulas flotadoras en cámaras rompe presión y en reservorios flotantes, las que resultan poco confiables por la dificultad en conseguir repuestos en los mercados accesibles a los pobladores rurales. El dispositivo ha sido analizado hidráulicamente bajo condición estática y dinámica; en las figuras 7 y 8 se muestran aplicaciones en campo.
Q1 Q2
Sistema convencional con cámaras rompe presión
Sistema con reservorios rompe presión
Línea de conducciónQ max diario
Válvula de flotadorCámara A2/3 Q max horario
Red de distribución 1/3 Q max horario
Red de distribuciónQ max horario
Válvula de flotadorReservorio A2/3 Q max diario
Válvula de flotadorReservorio B1/3 Q max diario
Válvula de flotadorCámara B1/3 Q max horario
Sistema convencional con cámaras rompe presión
Sistema con reservorios rompe presión
Línea de conducciónQ max diario
Válvula de flotadorCámara A2/3 Q max horario
Red de distribución 1/3 Q max horario
Red de distribuciónQ max horario
Válvula de flotadorReservorio A2/3 Q max diario
Válvula de flotadorReservorio B1/3 Q max diario
Válvula de flotadorCámara B1/3 Q max horario
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Fig. 7: Flotadora de PVC en cámara rompe presión
Fig. 8: Flotadora de PVC en reservorio
6.3 Saneamiento Esta sección fue considerada como informativa, aprovechando la estadía en el país de un
experto en tratamiento de aguas residuales mediante humedales artificiales. • Uso de la tecnología de biofiltros para el tratamiento de aguas residuales:
Experiencia desarrollada en Nicaragua y presentada por consultor del PAS/Banco Mundial. Se definieron los principios básicos utilizados para el diseño y la construcción de prototipos, se mostraron igualmente los componentes básicos de un sistema de biofiltro y sus ventajas en relación a la calidad del efluente. En las figuras 9 y 10 se muestran detalles del tratamiento de aguas residuales con esta tecnología.
0.60
Tapa de Inspección
0.40
1.80
1.30
1.20
0.05
0.03
0.10
CORTE A - A' ESC: 1:15
0.05
Chaflán0.05 x 0.05 m. 0.
20
0.10
0.20
Sumidero
Hipoclorador
0.30
0.10
0.03
0.05Ventilación
Mecanismo de Cierre
Tubería de rebose
0.10
0.08
0.100.60
Tubería PVC SAL Ø 2" para eliminar agua
de lluvias
0.05
0.60
0.60
0.050.05
Tubería de limpia
Tapa de Inspección
Boya PVC
PLANTA ESC: 1:15
Tubería de salida
Tubería de entrada
Niple FºGº 1"x6"
Codo FºGº 1"
0.05 0.06
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Fig. 9: Etapas de un sistema de biofiltro
Fig. 10: Sección transversal de un biofiltro
7. Conclusiones Luego de las presentaciones se estableció un espacio de diálogo para que los asistentes expresaran su opinión sobre lo tratado, de este diálogo se establecieron las siguientes conclusiones.
7.1 Las experiencias compartidas en el taller tuvieron acogida especialmente por aquellos
directamente involucrados a la implementación de servicios de agua y saneamiento en el medio rural.
7.2 Los asistentes demandaron la realización de eventos similares ya que se comentaron sobre otras experiencias muy poco conocidas entre los actores del sub sector rural.
7.3 Los asistentes demandaron lo siguiente: • Uniformizar parámetros de diseño. • Efectuar un inventario de alternativas tecnológicas para el área rural. • Validar tecnologías estableciendo alianzas con universidades y agencias de
cooperación. • Desarrollar un menú de opciones tecnológicas
7.4 Se establecieron los siguientes puntos como pasos siguientes:
Biofiltro(Flujo vertical,
horizontal o combinación)
Efluente Pretratamiento
(Rejilla y desarenador)
Tratamiento primario(Sedimentación: Tanque Imhoff, Tanque séptico)
Lodos
Agua cruda
Disposición final
Pila de secado de lodos
REUSO/descarga al cuerpo receptor
Biofiltro(Flujo vertical,
horizontal o combinación)
Efluente Pretratamiento
(Rejilla y desarenador)
Tratamiento primario(Sedimentación: Tanque Imhoff, Tanque séptico)
Lodos
Agua cruda
Disposición final
Pila de secado de lodos
REUSO/descarga al cuerpo receptor
Disposición final
Canal de distribución del afluente al Biofiltro
LECHO FILTRANTE
h
MICROORGANISMOS
PLANTAS MACROFITASEMERGENTES
Disposición final
Canal de distribución del afluente al Biofiltro
LECHO FILTRANTE
h
MICROORGANISMOS
PLANTAS MACROFITASEMERGENTES
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• Editar y difundir las presentaciones – octubre 2006. • Taller de saneamiento y disposición de excretas – octubre 2006. • Establecer una red virtual para la difusión de experiencias. • Organizar un taller sobre cloración en sistemas rurales concentrados y dispersos –
febrero 2007. • Memoria del taller de tecnologías en agua y saneamiento rural– Julio 2006.
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ANEXOS
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Anexo 1
Cámaras rompe presión en sistemas rurales de agua y tratamiento de aguas residuales Auditorio CEPIS – 21 de junio de 2006
Programa
09:00 – 09:10 Bienvenida y presentación 09:10 – 09:30 Tecnologías en agua y saneamiento rural – Luis Valencia, OPS/OMS 09:30 – 09:45 Exposición: Cámaras rompe presión en líneas de conducción de sistemas de
agua rural - Julio Páucar, CARE Huaraz. 09:45 – 10:00 Exposición: Línea de conducción en sistemas de agua por gravedad – Roger
Agüero, SER. 10:00 – 10:15 Exposición: Líneas de conducción de flujo libre, una opción para disminuir el
número de cámaras rompe presión – Nicolás Marinof, Consultor. 10:15 – 10:30 Preguntas 10:30 – 10:45 Receso 10:45 – 11:00 Exposición: Cámaras distribuidoras de caudal en redes de distribución – Ivan
Chocano, SUM Canadá. 11:00 – 11:15 Exposición: Reservorios rompe presión, una alternativa más sostenible que las
cámaras rompe presión – Nicolás Marinof, Consultor. 11:25 – 11:45 Exposición: Cámaras rompe presión en PVC para red de distribución y
flotadores para reservorios - Herberth Pacheco, SANBASUR 11:45 - 12:00 Preguntas 12:00 – 12:20 Exposición: Uso de la tecnología de biofiltros para el tratamiento de aguas
residuales, la experiencia de Nicaragua - Martín Gauss, PAS/BM 12:20 – 12:35 Preguntas 12:35 – 13:00 Plenaria – Acuerdos 13:00 Clausura
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Anexo 2 Taller tecnologías en agua y saneamiento rural
Auditorio OPS/CEPIS-BS – 21 de junio de 2006 Relación de participantes
Nombre Institución E-Mail1 Agüero Pittman, Roger SER [email protected] Alva Villacorta, Milton CARE [email protected] Álvarez, Sonia SEDAPAL [email protected] Aucaruri, Miguel SEDAPAL [email protected] Bellido Torres, Abel Gea-Hidrantal [email protected] Cabrera Huamán, Walter PROPILAS - CARE [email protected] Cáceres Sumire, Rafael CÁRITAS [email protected] Castillo Rivadeneyra, Óscar PAS/BM [email protected] Chocano, Iván SUM Canadá [email protected]
10 Durán Teodoro SUM Canadá [email protected] Fuentes Chávez, Jorge CÁRITAS [email protected] Gauss, Martin PAS/BM [email protected] Gely, Johan COSUDE [email protected] Gómez Zúñiga, Alcides SER [email protected] Huamán Carbajal, Ana CESAL [email protected] 16 Huari Gonzalez, Sylvia Asociación SOLARIS [email protected] León, Roxana Plan BiNacional - RREE [email protected] Macedo Ruiz, Omar CESAL [email protected] Marinof Petkoff, Nicolás Consultor [email protected] Mau Campos, Víctor Asociación SOLARIS [email protected] Mellado, Rocío ITDG [email protected] Montes Castro, Martín SER [email protected] Pacheco De la Jara, Herberth SANBASUR [email protected] Paucar Olórtegui, Julio CARE Huaraz [email protected] Purizaga Sandoval, Jorge Asociación SOLARIS [email protected] Ramirez Cortez, Liliam Consultora [email protected] Rojas Espinoza, José CÁRITAS [email protected] Rojas Vargas, Ricardo CEPIS-BS [email protected] Rosasco, Otto SUM Canadá [email protected] Ruiz Vásquez, María Asociación Ecociudad [email protected] Salazar Sánchez, Juan PROPILAS - CARE [email protected] Sánchez, Abel Ayuda en Acción [email protected] Silva, Homero CEPIS-BS [email protected] Swanson, Ted SUM Canadá [email protected] Torbisco Sáenz, Adolfo SER [email protected] Torres, Ricardo CEPIS-BS [email protected] Valencia, Luis CEPIS-BS [email protected] Zavaleta Durán, Jorge PRONASAR-DNS [email protected]
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Anexo 3: Ponencias
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LÍNEAS DE CONDUCCIÓN DE FLUJO LIBRE: UNA OPCIÓN PARA DISMINUIR EL NÚMERO DE CÁMARAS ROMPE PRESIÓN
Nicolas Marinof E-mail: [email protected]
En la Sierra peruana, debido a la topografía accidentada, muchos sistemas de agua potable suelen presentar un número elevado de cámaras rompe presión que no sólo aumentan considerablemente el costo de inversión de los proyectos, sino que además están al origen de problemas de operación y mantenimiento, convirtiéndose en muchos casos en una causa de contaminación del agua de consumo (ver fig.1). Las líneas de conducción de flujo libre tienen como propósito reducir el número de cámara rompe presión en los sistemas de abastecimiento de agua por gravedad. Esta tecnología es parte de un modelo de intervención que ProAnde ha desarrollado para poblaciones rurales dispersas3 en la provincia de Andahuaylas del departamento de Apurímac. Definición y mecanismo El flujo en una tubería puede ser a presión o libre, en este último caso el agua circula en la tubería como lo haría en un canal abierto. Eso se obtiene cuando el caudal circulante es inferior al caudal máximo de la línea y su salida libre, lo que hace que por acción de la gravedad la tubería se drene más rápido de lo que se llena. Para ilustrarlo se presenta como ejemplo el sistema de la figura 2. La tubería que baja desde la cámara A hasta la cámara B tiene un diámetro constante y su salida es libre. Si se abre totalmente la válvula de control ubicada inmediatamente después de la cámara A, el caudal circulante va a tener un valor Q1 que será el caudal máximo que puede conducir la tubería y que será asociado a la línea de gradiente hidráulico LGH1. Si se cierra parcialmente la válvula de control, el caudal va a disminuir al valor Q2 con una línea de gradiente LGH2 de menor pendiente, de manera que sólo en la parte baja de la tubería, ésta estará llena de agua y el flujo será a presión mientras que en su parte alta la tubería sólo estará parcialmente llena, la presión será nula y el flujo libre, la línea de gradiente hidráulica coincidiendo aproximadamente con la superficie del agua dentro del tubo (en realidad unos centímetros encima tomando en cuenta la velocidad del agua).
3 Ver Abastecimiento de agua por gravedad para poblaciones rurales dispersas. PAS, Lima, 2001: http://www.wsp.org/publications/and_abastecimiento.pdf
Fig.1 Cámara rompe presión con su tapa degradada
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Si se reduce aun más el caudal, vendrá un momento cuando el flujo será libre y la presión nula en toda la longitud del tubo, caso del caudal Q3 en el diagrama. Para eso es necesaria la presencia de la toma de aire después de la válvula de control. Ventajas Una línea de conducción de flujo libre no requiere de cámaras rompe presión. En el SAP de Poccontoy Orcconmarca, ProAnde ha construido una línea de conducción de 3460 metros de longitud que recorre un desnivel de 1020 metros sin que exista ninguna cámara rompe presión. Toda la tubería es de ½”, el caudal circulante es de 0.25 l/s y funciona de manera continua desde más de 6 años.
Aspectos prácticos La línea de conducción de flujo libre se aplica a pequeños caudales (menos de 0.6 l/s) con tubos de pequeños diámetros, casi siempre ½”, rara vez ¾” ó 1”. En tubos de mayores diámetros, se corre el riesgo que la velocidad del agua se vuelva excesiva, lo que no pasa en tubos de pequeños diámetros porque las fricciones y pérdidas de carga son más importantes que en tubos de mayores diámetros. Se debe también tomar en cuenta que, a igual caudal circulante, una línea de conducción de flujo libre tendrá un mayor diámetro que una línea que trabaja a presión y, por lo tanto, si la tubería fuera de ¾”, 1” o de mayor diámetro, implicaría un costo de inversión más elevado que para una línea convencional a presión, lo que no es el caso con una tubería de flujo libre de ½” pues ½” es el tamaño comercial más pequeño que existe. En la experiencia de ProAnde las líneas de conducción de flujo libre de ¾” ó 1” casi siempre provienen de tramos de tuberías ya existentes en sistemas de agua potable que fueron rehabilitados.
Q2
LGH 1
LGH 2
Cámara B
Q1 Q1 > Q2 >
Q3 P3 = 0
Cámara
P1
P2
LGH 3
Válvula de
t l
Toma de aire
Fig.2 Ejemplo de flujo libre
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Una precaución fundamental es realizar con cuidado el tendido de tubería de manera que no haya fugas. Como la presión en la tubería es nula, de haber fugas se correría el riesgo de que el agua se contaminara. Hasta ahora no se ha registrado problemas de roturas, fugas o contaminación del agua en las líneas de conducción de flujo libre de los sistemas de abastecimiento de agua construidos por ProAnde, las mismas que están en servicios desde varios años. Otra consideración importante es que, en el diseño de una línea de conducción, se debe considerar la combinación posible de líneas de flujo libre con líneas que trabajan a presión y cámaras rompe presión convencionales. En otras palabras, la línea de flujo libre es sólo una opción técnica entre otras y se aplica en condiciones definidas y sólo para ciertos tramos de la línea de conducción. La Fig.3 ofrece un ejemplo que será comentado luego. Por fin es esencial disponer de un mecanismo de control de caudal al principio de la línea de conducción de flujo libre, eso para evitar que el caudal exceda ciertos límites y haga reventar la tubería. Mecanismos de control de caudal En el sistema de la Fig.3, se ve que el primer tramo de línea de conducción, entre las cámaras A y B, trabaja a presión con un caudal máximo Q1 determinado por la diferencia de altura entre A y B y por el diámetro y rugosidad del tubo. Si la tubería del segundo tramo, entre las cámaras B y C, tiene iguales características que la primera, el flujo en ésa será libre ya que el caudal no podrá exceder el valor Q1. Se observa que el tubo de salida de la cámara B está a ras del agua y la tubería sólo se llena parcialmente de agua, no funciona a plena capacidad. Este sistema es un ejemplo de
Cámara A
Cámara B
Q1
P = 0
Q1 P >
LGH 1
Flujo libre
LGH 2
Cámara C
Fig.3 Ejemplo de mecanismo no regulable de control de caudal
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mecanismo de control de caudal no regulable utilizado en zonas aisladas de manera que no se pueda manosearlo. El siguiente mecanismo (Fig.4) es regulable y se utiliza cuando se requiere instalar una línea de conducción a partir de una red de distribución existente. Con este dispositivo se debe cuidar no abrir totalmente las válvulas, lo que podría hacer reventar la tubería, de manera que una buena precaución consiste en añadir un dispositivo reductor de caudal, tipo diafragma.
La Fig.5 muestra como se abastece a la red del caserío de Tacana a partir de la red de distribución de Poccontoy. Se observa la pequeña cámara que controla el caudal de la línea de conducción de flujo libre. El desnivel entre esta cámara y el reservorio de Tacana es de 235 metros, por lo tanto se puede concluir que este dispositivo ha permitido evitar la construcción de 4 cámaras rompe presión con válvulas de flotador.
Válvula de regulación
Válvula de cierre
Toma de aire
Línea de conducción (P = 0)
Fig.4 Ejemplo de mecanismo regulable de control de caudal
Tubería de entrada con descarga libre
Reservorio de Tacana
Red de distribución deTacana
Red de distribución de Poccontoy
Cámara de regulación Desnivel de 235 m
Línea de conducción de flujo libre
Fig.5 Línea de conducción de flujo libre entre las redes de Poccontoy y Tacana
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Conclusiones y recomendaciones Las líneas de conducción de flujo libre constituyen una opción técnica apropiada para zonas que presentan grandes desniveles topográficos. Esta tecnología conviene particularmente para poblaciones dispersas o pequeños centros poblados de menos de 300 habitantes porque los caudales máximos diarios para este rango de población son del orden de 0.25 l/s o menos, lo que equivale al caudal que puede circular en una línea de conducción de flujo libre de ½”. La principal recomendación es que se debe tomar como criterio de diseño de las líneas de conducción, las presiones de equilibrio dinámico en las tuberías, descartando la norma que recomienda colocar una cámara rompe presión en la línea de conducción cada 50 metros de diferencia de altura, norma que lamentablemente fue al origen de la construcción de una gran cantidad de cámaras rompe presión prescindibles.
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RESERVORIOS ROMPE PRESIÓN: UNA ALTERNATIVA MÁS SOSTENIBLE QUE LAS CÁMARAS ROMPE PRESIÓN
Nicolas Marinof E-mail: [email protected] Uno de los aspectos críticos de la operación y mantenimiento de los sistemas de abastecimiento de agua por gravedad en la sierra peruana es el costo elevado de reemplazo de las válvulas de flotador de las cámaras rompe presión que suelen dañarse al cabo de un tiempo de servicio relativamente corto (Fig.1). No sólo que estas válvulas son onerosas pero además son difíciles de encontrar en las ferreterías por lo que las Juntas Administradoras de Servicios de Saneamiento raramente las reemplazan, trayendo como consecuencias interrupciones en la continuidad del servicio de agua y una disminución de su sostenibilidad. Un diagnóstico realizado en 2005 por la AMRUVACH en 12 distritos de las provincias de Andahuaylas y Chincheros, da una idea de la magnitud del problema. El cuadro 1 muestra que la mayoría de los sistemas de agua potable con cámaras rompe presión en su red de distribución tienen problemas de fugas de agua por el mal funcionamiento o la ausencia de válvulas de flotador y, como es de esperar, la proporción de sistemas de agua potable con este problema aumenta a medida que crezca el número de cámaras rompe presión.
Cuadro 1: Clasificación de los SAP (sistemas de agua potable) de acuerdo al estado de funcionamiento de las
cámaras rompe presión de la red de distribución (N = 60 sobre un total de 177 SAP) N = Número
de SAP Número de cámaras
rompe presión por SAP % de SAP con cámara(s) rompe presión cuya(s)
válvula(s) de flotador funciona(n) adecuadamente 22
11
27
1 2
de 3 a 32
27% 18% 15%
60 20% Para remediar a esta situación la ONG ProAnde desarrolló en el periodo 1997-2002 alternativas tecnológicas4 para sustituir o eliminar a las cámaras rompe presión convencionales, una de ellas siendo el reservorio rompe presión. 4 Ver Abastecimiento de agua por gravedad para poblaciones rurales dispersas. PAS, Lima, 2001: http://www.wsp.org/publications/and_abastecimiento.pdf
Fig.1 Cámara rompe presión convencional con fugas en la válvula de flotador
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Descripción de la tecnología Un reservorio rompe presión es un reservorio equipado de una válvula de flotador en el tubo de entrada del agua, de manera que cumpla a la vez las funciones de un reservorio de almacenamiento y de una cámara rompe presión (Fig.2). La Fig.3 compara un sistema convencional, con un reservorio de almacenamiento y 2 cámaras rompe presión, con un sistema con reservorios rompe presión. El
volumen de almacenamiento del reservorio del sistema convencional está repartido entre los 3
Fig.2 Reservorio rompe presión de ferrocemento de 1.2 m3
Reservorio 5m3
Reservorio 15m3
Reservorios rompe presión 5m3
Cámaras rompe presión
Sistema convencional con cámaras rompe presión
Sistema con reservorios rompe presión
Línea de conducción
Red de distribución
Fig.3 Comparación entre un sistema convencional y uno con reservorios rompe presión
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reservorios del sistema con reservorios rompe presión que, en este ejemplo, son de capacidad igual, asumiendo que la población servida es la misma en los 3 sectores abastecidos cada uno por una cámara o un reservorio. De no ser así, los volúmenes de los reservorios rompe presión deberían ser calculados en función de la población servida, o eventualmente se podría fraccionar este volumen entre varios pequeños reservorios ubicados en diferentes lugares estratégicos de la red, solución que conviene particularmente en el caso de poblaciones dispersas. Ventajas Las ventajas de un sistema con reservorios rompe presión se demuestran mejor si se compara los parámetros de diseño del sistema convencional con los del sistema con reservorios rompe presión (ver Fig.4).
Sistema convencional con cámaras rompe presión
Sistema con reservorios rompe presión
Línea de conducción Q max diario
Válvula de flotador Cámara A 2/3 Q max horario
Red de distribución 1/3 Q max horario Red de distribución
Q max horario
Válvula de flotador Reservorio A 2/3 Q max diario
Válvula de flotador Reservorio B 1/3 Q max diario
Válvula de flotador Cámara B 1/3 Q max horario
Fig.4 Comparación de los parámetros de diseño para los caudales
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La red de distribución se diseña en función del caudal máximo horario. La diferencia consiste en que en el sistema convencional hay una red única, mientras que en el sistema con reservorios rompe presión esta red se divide en 3 subredes servidas cada una por un pequeño reservorio, el caudal de diseño de cada subred siendo aproximadamente igual a un tercio del caudal máximo horario utilizado para el diseño del sistema convencional. En consecuencia los conductos principales serán de menores diámetros en la red con reservorios rompe presión y, sólo en el último sector servido por la cámara o reservorio B, los conductos serán de tamaños idénticos. Se debe observar que, en el sistema con reservorios rompe presión, las subredes de los 2 primeros sectores se deben diseñar sumando a la fracción respectiva del caudal máximo horario, el caudal de entrada al reservorio rompe presión ubicado inmediatamente al final de cada subred, pero como se verá a continuación, este caudal es relativamente pequeño además que disminuye durante las horas puntas de consumo. El tamaño de las válvulas de flotador está determinado por el caudal de entrada en la cámara o reservorio rompe presión. En el caso de la primera cámara rompe presión será de dos tercios del caudal máximo horario y de un tercio de este caudal en la segunda cámara. En cambio el caudal de entrada del primero reservorio rompe presión será de dos tercios del caudal máximo diario (y no horario) y de un tercio del mismo en el caso del segundo reservorio. Aquí la consecuencia es que el tamaño de las válvulas de flotador será mucho más pequeño en el caso de los reservorios rompe presión, pudiendo ser de hasta 3 tamaños menos, es decir una válvula de flotador de ½” en vez de una de 1”½ si fuera una cámara rompe presión5. Esto constituye una gran ventaja para la operación y mantenimiento porque una válvula de flotador de ½” sólo cuesta una decena de soles y es fácil encontrar este tipo de repuesto. Otra ventaja de un sistema con reservorios rompe presión es que en caso que se malogren las válvulas de flotador, el sistema seguirá funcionando gracias al volumen de regulación de los reservorios rompe presión. En comparación con un sistema convencional con cámaras rompe presión, el reservorio rompe presión perderá agua por su rebose durante menos tiempo y con un menor caudal. Esta pérdida de agua podría incluso ser tolerable a condición de aumentar ligeramente los valores de los caudales de diseño y volumen de los reservorios y de disponer de los recursos hídricos suficientes. Al eliminar las válvulas de flotador en los reservorios rompe presión, se facilita aun más la operación y mantenimiento sin que se produzca un aumento significativo del costo de inversión en comparación con los beneficios resultantes en términos de sostenibilidad. Costos Sistemas con reservorios rompe presión representan una alternativa económicamente atractiva a condición de construir los reservorios de ferrocemento6. En el sistema de la Fig.2, si todos los reservorios se construyen de ferrocemento, el costo de los 2 reservorios rompe presión y
5 En sistemas de abastecimiento de agua para poblaciones rurales de 100 a 300 habitantes, la relación entre caudal máximo horario y caudal máximo diario anual es del orden de 4 mientras que en poblaciones de mayor tamaño esta relación disminuye hasta valores próximas de 2. 6 El uso de ferrocemento en vez de concreto armado permite un ahorro del orden de 50% en el costo de construcción de un reservorio.
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del reservorio de cabecera será aproximadamente equivalente al costo del reservorio único y de las 2 cámaras rompe presión del sistema convencional. Cumplida esta condición, la alternativa con reservorios rompe presión permite un pequeño ahorro del orden de 1% a 4% en el costo de inversión del sistema de agua potable, ahorro que se debe a la reducción del diámetro de los conductos principales de la red de distribución. Se debe notar que este ahorro será más importante en el caso de poblaciones dispersas o localidades con una baja densidad de viviendas porque en tal situación la red de distribución será más extensa que en un sistema donde las viviendas están concentradas. Asimismo el ahorro será mayor en pequeñas poblaciones porque, como se ha visto, la relación entre caudal máximo horario y caudal promedio diario anual es más elevado en pequeñas poblaciones que en grandes. Conclusiones La sustitución, en las redes de distribución de sistemas de abastecimiento de agua por gravedad, de las cámaras rompe presión por reservorios rompe presión, facilita la operación y mantenimiento por la reducción del tamaño de las válvulas de flotador o su eliminación, aumentando así la sostenibilidad de los servicios de agua potable rurales. Además, por la reducción del diámetro de los conductos principales de la red de distribución, los reservorios rompe presión constituyen una opción económicamente más atractiva que las cámaras rompe presión convencionales, siempre y cuando se utiliza ferrocemento para la construcción de los reservorios. Las ventajas de esta tecnología son más manifiestas cuando se aplica a poblaciones dispersas y centros poblados pequeños o con una baja densidad de viviendas. En cambio, en poblaciones concentradas, el mayor espacio que requiere la construcción de un reservorio rompe presión puede ser un inconveniente.
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CÁMARAS ROMPE PRESIÓN EN PVC PARA RED DE DISTRIBUCIÓN EN SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA RURAL
Herberth Pacheco De La Jara, SANBASUR
Roger Alvarez Huamaní
Resumen: La sostenibilidad de los sistemas de abastecimiento de agua en el medio rural dependen de factores tanto técnicos como sociales que permitan la autogestión, en administración, operación y mantenimiento de los servicios por la misma comunidad beneficiaria. Las opciones tecnológicas para el medio rural deben ser simples, apropiadas y duraderas, sin embargo, muchas veces los proyectistas en sus planteamientos hidráulicos proponen estructuras convencionales como las rompepresiones con boya en red de distribución para hacer frente a las diferencias topográficas de altura muy propias del área rural andina, vulnerando la sostenibilidad y buen funcionamiento del sistema de abastecimiento de agua por la poca eficiencia y deterioro prematuro del flotador esférico convencional ocasionando problemas de abastecimiento en el reservorio por pérdida de agua en la rompepresión por rebose. Ante esta problemática se realizó un trabajo de investigación para reemplazar este flotador comercial por uno de mayor eficiencia y durabilidad, pudiendo inclusive reemplazarse la rompepresión convencional por una estructura mucha más versátil de menores dimensiones y más económica a ser considerada como un accesorio dentro del sistema de distribución. Esta investigación se realizó en el Proyecto de Saneamiento Básico en la Sierra Sur SANBASUR, producto del convenio entre el Gobierno Peruano y la Confederación Suiza, que busca promover el mejoramiento de las condiciones de saneamiento básico rural con la participación activa de la población organizada, instituciones locales, regionales y el sector saneamiento, priorizando poblaciones pobres del departamento del Cusco. 1. Antecedentes En el Perú, se ha experimentado un incremento significativo, en las coberturas de agua y saneamiento en los años 90, con una mayor incidencia en el área rural y con mayor énfasis para el abastecimiento de agua potable. A nivel nacional se han invertido cerca de 371 millones de dólares en 1998 en saneamiento, inversión que se espera mejore las condiciones de salud y vida del poblador rural. Toda esta inversión muchas veces no logra cumplir sus objetivos debidos a problemas técnicos conceptuales de diseño y construcción. La sostenibilidad técnica de las obras de abastecimiento de agua depende en gran medida de la opción tecnológica planteada. De las evaluaciones realizadas a mas de 100 sistemas de abastecimiento de agua se concluyó que técnicamente el punto más vulnerable y el que puede comprometer el normal funcionamiento de un sistema de abastecimiento de agua es la cámara rompepresiones con boya en red de distribución, puesto que estas boyas tienen una vida útil muy corta y presentan muchas deficiencias en su funcionamiento y cierre automático, comprometiendo el normal almacenamiento del agua en el reservorio. En el mercado comercial existen válvulas reductoras de presión industrializadas las cuales tienen un costo muy elevado y obedecen a tecnologías que muy probablemente no tengan éxito en el medio rural por la dificultad de su operación y mantenimiento por parte del usuario, debiendo recurrirse a soluciones más económicas, innovadoras, y de fácil acceso y operación para la población rural.
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2. Descripción del sistema planteado Debido a los problemas originados por las rompepresiones con boya convencionales se investigó un mecanismo de cierre que sustituya al existente con una mayor vida útil, una mejor eficiencia y un manejo más sencillo. Es así que el planteamiento experimentado trabaja con una boya cilíndrica en PVC con un principio de funcionamiento simple, el de flotación, basado en la teoría de empujes con un desplazamiento únicamente vertical el cual facilita todo el proceso y conduce a una buena eficiencia y un funcionamiento de cierre automático preciso. Se han desarrollado tres modelos experimentales los cuales de acuerdo a la necesidad encontrada en el terreno pueden ser planteados: Modelo Nº 01: Este modelo obedece a la necesidad de solucionar el problema de mal funcionamiento de las cámaras rompepresión convencionales existentes en muchos sistemas de agua, para lo cual en este planteamiento se reemplaza la boya convencional (similar al del inodoro de casa donde la fuerza necesaria para el cierre es producida por un flotador esférico que realiza un brazo de palanca y el momento producido es responsable del cierre) por una boya de desplazamiento vertical que consta de una válvula que permite el ingreso del agua y a la vez permite el desplazamiento vertical del eje que soporta a la boya de PVC con un ingreso del agua del tipo aspersor. En este modelo es importante adicionar un anillo que evite el movimiento basculante del flotador vertical para mejorar la eficiencia, esto también puede solucionarse construyendo un anillo en bajo relieve en la losa de fondo existente a manera de guía.
Flotador en CRP existente Modelo Nº 02: Este modelo a partir del diseño del flotador anterior es apropiado para ser instalado en la red de distribución para sistemas nuevos en los cuales exista un número pequeño de familias (1 a 3 fam) a desniveles que excedan la resistencia por presión de la tubería de distribución y que el plantear una rompepresión convencional resulte muy costoso. La rompepresión propuesta para este caso puede ser incorporada a una tubería de mayor diámetro a manera de fuste y todo el conjunto puede ser instalado como un accesorio más dentro de la red sin mayores trabajos previos y a un costo bajo. Este modelo tiene como limitante que el caudal de diseño debe ser pequeño, es decir el número de familias servidas no más de 3, por que de acuerdo a la experiencia de campo si se tiene un caudal mayor el flotador trabaja tipo pistón como resorte con movimientos de subida y bajada muy violentos que causarían fatiga a nuestra rompepresión, pero para caudales pequeños el funcionamiento es
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eficiente. Modelo Nº 03: Debido a la limitante del modelo anterior para consumos y/o caudales mayores en la red de distribución es que se tiene que considerar un pequeño volumen de almacenamiento en la cámara húmeda en la cual se encuentra nuestra boya, para que el movimiento vertical de la boya no sea violento y pueda abastecer el caudal necesario sin mayores problemas. Para conseguir este funcionamiento se ha diseñado una válvula provista de su flotador vertical el cual se encuentra en una estructura circular de ferrocemento (mortero con malla de gallinero de pequeño espesor 3 cm de forma circular) con dimensiones y costo menor a las cámaras rompepresiones convencionales, con lo cual se optimiza y se mejora al sistema tradicional con un funcionamiento más eficiente y una vida útil mayor.
Flotador en cámara húmeda con ferrocemento (circular) 3. Criterios de diseño Como criterios de diseño se han considerado:
• Continuidad de flujo y caudal de consumo necesario para el abastecimiento sin inconvenientes. • Utilización de materiales locales. • Presiones de diseño en el rango 50 – 70 metros en columna de agua. • Diseño con el caudal máximo de la demanda horaria (Qmh). • Caudales de diseño en el rango 0.1 lt/seg - 5 lt/seg. • Velocidades de flujo no mayores a 5 m/seg.
Detalle válvula de ingreso
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A partir de estos criterios se propuso que el agua ingrese por un orificio de menor diámetro a la tubería de salida, que por el principio de presión (fuerza entre área) es factible de ser cerrado (equilibrado) por una boya artesanal. Simplificando nuestro problema a la determinación de las presiones en los siguientes puntos de esta manera: 1. Presión de entrada del agua (con un orificio menor que el diámetro de la tubería de ingreso) a nuestra
rompepresión. 2. Presión necesaria para vencer la fuerza de ingreso, la que es proporcionada por la boya de PVC, la que debe
ser mayor a la presión de ingreso para cerrar la entrada de agua, una vez llena la cámara húmeda. Análisis estático.- Este análisis en el cual el fluido se encuentra sin movimiento considera como presión máxima a ser controlada la existente entre la cota de ubicación de la rompepresión y de la siguiente estructura aguas arriba (reservorio, otra rompepresión, etc). La presión en este análisis es la más crítica puesto que no se consideran pérdidas de carga en la tubería por estática. Hidráulicamente tenemos que el ingreso efectivo del agua se realiza por un orificio mas pequeño que es de ø 3/8”. Realizamos el equilibrio de fuerzas en este punto, para determinar si teóricamente podremos vencer la fuerza de ingreso del agua, con la boya que usamos. Consideramos como presión de llegada una altura de carga en agua de 70 metros en columna de agua (la recomendación es que la presión de trabajo no exceda los 50 metros en columna de agua, sin embargo en campo se han identificado presiones de trabajo que exceden este valor por lo cual se trabaja con esta presión crítica). Se tiene por equivalencias y haciendo conversiones que:
1 kg/cm2 = 10 m de columna de agua Por consiguiente nuestra presión de trabajo es: 7 kg/cm2 Para equilibrar esta presión convertimos a kg-fuerza el valor anterior considerando el diámetro por el que ingresa al dispositivo (3/8”). El orificio efectivo de ingreso tiene un diámetro de: 3/8” ó 3/8”x 2.54cm = 0.952 cm
Área del orificio de ingreso = Π x (0.952 x 0.952) / 4 = 0.7125 cm2
Sabemos que: P = F / A Donde: P = Presión
F = Fuerza. A = Área Reemplazando la presión de trabajo y el área del orificio de entrada tenemos: 7 kg/cm2 =F / 0.7125 cm2 F = 4.988 Kg (Fuerza que actúa en el orificio de ingreso) La fuerza anteriormente determinada es la que tiene que ser “equilibrada” por la boya de PVC, así que determinaremos el empuje que experimenta dicha boya debido al desplazamiento del agua. El volumen de agua desplazado, es la fuerza con la que contamos para contrarrestar, la fuerza de ingreso del agua a nuestro dispositivo de flotación. La boya tiene las siguientes características: Diámetro interno = 8” (pulgadas). Altura total = 50 cm.
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Peso total = 2.5 kg Material = PVC SAL (retazo de tubería con tapones). Volumen de la boya en PVC (ø 8”) = ( Π * D2 ) / 4 * Altura boya sumergida Volumen = ( Π * 20.32 cm * 20.32 cm) / 4 * 50 cm
Volumen = 16,214.64 cm3 Una vez determinado el volumen de agua desplazado, la fuerza de empuje se determina fácilmente empleando la densidad o peso específico del agua que es 1 tn /m3 o lo que es igual a 1 litro de agua pesa 1 Kg . Con lo que 16,214.64 cm3 de agua desplazada nos dan un empuje de 16.214 Kg de fuerza. El empuje neto proporcionado por la boya será:
Vol (kg) = Vol por empuje - W (peso de la boya) = 16.214 kg - 2.5 kg E neto = 13.714 kg. Realizando el equilibrio de fuerzas en el punto de interés tenemos que 13.714 kg es mucho mayor que 4.988 kg, teniendo un coeficiente de seguridad alto, considerando además que no toda la boya tiene que trabajar totalmente sumergida. Es así que teóricamente en diseño estático nuestra cámara rompe presiones funciona, necesitando únicamente una altura de boya de 25 cm. Análisis dinámico.- El análisis estático si bien teóricamente satisface el equilibrio y además trabaja con la presión en su condición más desfavorable no es suficiente puesto que de las observaciones en campo se ha determinado que bajo un comportamiento dinámico las alturas de cierre no guardan una relación con el análisis estático, por tener un diámetro efectivo de funcionamiento variable hasta el instante en que el tapón de caucho cierra la válvula de ingreso con un diámetro final de ø 3/8”. Para determinar el diámetro crítico de diseño en condición dinámica de acuerdo a mediciones desarrolladas en campo, observamos que la diferencia de alturas de boya sumergida en una primera condición cuando el flotador cierra el ingreso del agua y retiene el flujo y una segunda condición en la que el flotador permanece estático evitando el ingreso del agua hasta que desciende debido al consumo aguas abajo hasta detenerse, permite calcular el diámetro crítico en condición dinámica. Condición
dinámica Condición estática
H46cm
23cm
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Con las mismas características físicas de la boya anterior se determinó adicionalmente que se tiene un descenso final hasta una altura de boya sumergida de 0.23 cm a partir de donde la boya inicia su ascenso debido al empuje de agua hasta cerrar el ingreso de agua. Calculando el volumen de boya sumergida en la condición de descenso final: Volumen de la boya en PVC (ø 8”) = ( Π * D2 ) / 4 * Altura boya sumergida Volumen = ( Π * 20.32 cm * 20.32 cm) / 4 * 23 cm
Volumen = 7,458.73 cm3 Lo cual por lo anteriormente explicado equivale a 7.50 kg fuerza El empuje neto proporcionado por la boya en este estado será:
Vol (kg) = Vol por empuje - W (peso de la boya) = 7.50 kg - 2.5 kg E neto = 5.0 kg. Con un área de ingreso de ø 3/8” (0.7125 cm2), determinamos una presión neta de 7.01 kg/cm2, con lo que nos aproximamos a la presión de diseño en el cálculo estático de 70 metros en columna de agua. La altura de boya sumergida en condición dinámica experimentalmente nos arrojó un valor de 0.46 cm, al momento del cierre final del orificio de ingreso del agua, calculando el volumen de boya sumergida en condición de ascenso final (la boya cierra el ingreso del agua): Volumen de la boya en PVC (ø 8”) = ( Π * D2 ) / 4 * Altura boya sumergida Volumen = ( Π * 20.32 cm * 20.32 cm) / 4 * 46 cm
Volumen = 14,917.46 cm3 Lo cual equivale a 14.92 kg fuerza El empuje neto proporcionado por la boya en este estado será:
Vol (kg) = Vol por empuje - W (peso de la boya) = 14.92 kg - 2.5 kg E neto = 12.42 kg. De la expresión P = F / A critico 7 kg/cm2 = 12.42 kg / A crítico A crítico = 1.7742 cm2 Relacionando diámetros de estas dos áreas en las condiciones antes analizadas tenemos: Ø crítico = 1.5030 cm. Ø real = 0.9525 cm. Coeficiente = 1.578 (58% mayor). De acuerdo al análisis dinámico se necesita una altura de flotación de boya mayor, (46cm de altura), aproximadamente 100% más a la del análisis estático por tener un área de ingreso variable (Ø 58% mayor) en flujo y por consiguiente necesitar mayor empuje hidráulico. La experiencia y los análisis anteriores nos llevan a definir el comportamiento del flujo al momento de ingresar a nuestro dispositivo de flotación y poder generalizar nuestros diseños en función a caudales, presiones y diámetros particulares. 4. Recomendaciones Algunas recomendaciones producto de la experiencia en diseño y validación del flotador vertical:
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• Se debe de considerar una protección (a manera de poncho) en la parte superior del flotador para evitar que el agua cuando ingrese no salpique dentro de la cámara húmeda y produzca mucha humedad en los elementos metálicos como la tapa sanitaria.
• Los orificios de salida dentro de la válvula diseñada deben ubicarse hasta por encima del orificio de ingreso del agua en la boya para evitar trabajar con un diámetro mayor que ocasionaría una fuerza de empuje mayor.
• El eje de la boya debe causar la menor fricción posible en su desplazamiento vertical ya que puede ocasionar que la boya se trabe al momento de ascender ó descender, para lo cual se deben de llenar y pulir los hilos en los accesorios metálicos que forman parte del diseño de la válvula en la boya.
• Es necesario incorporar una guía (fuste) para la boya para evitar el movimiento basculante por el empuje lateral del agua que pueda reducir la eficiencia al momento del ascenso. Si se opta por una guía en tubería de CºSºNº recortada esta debe ser movible para dar facilidad al momento de instalar la boya y tener orificios para permitir que el agua ingrese fácilmente. Se recomienda también si la estructura es nueva prever en la construcción de la losa de fondo un bajo relieve con las dimensiones de la boya para que este trabaje como guía.
• Se debe de garantizar impermeabilización total en los puntos en los cuales se perfore la boya como al momento de instalar el eje de la válvula y conectarlo al flotador, reforzando con mayor pegamento (interna y externamente) estos puntos críticos que incrementarían el peso propio de la boya si se permitiera el ingreso del agua.
• Los materiales en contacto con el agua deben ser diseñados en PVC para evitar la corrosión y prever un anticorrosivo en aquellos que están propensos a la humedad.
• En función al caudal de diseño aguas abajo se debe de diseñar la capacidad y dimensionamiento de la cámara húmeda para garantizar un funcionamiento adecuado de la boya.
5. Costos A nivel costos de inversión esta innovación tecnológica en comparación a las cámaras rompepresiones convencionales presenta hasta más de un 100% de menor costo así como una optimización en los procesos constructivos.
DESCRIPCION COSTO TOTAL ($) CRP con boya convencional $ 270.00 Propuesta CRP Q < 0.20 lt/seg $ 85.00 Propuesta CRP Q > 0.20 lt/seg $ 126.00 Flotador experimental (boya) $ 43.00
Los costos en dólares incluyen materiales, accesorios y mano de obra. 6. Conclusión
La evaluación a nivel eficiencia, costo y sostenibilidad de esta innovación tecnológica en comparación al sistema tradicional nos lleva a concluir que muchos sistemas rurales con problemas en estas estructuras pueden ser solucionados con la incorporación de estas boyas y los futuros diseños pueden ser planteados considerando estas rompepresiones como accesorios a ser colocados en la red de distribución prescindiendo en algunos casos de la cámara húmeda convencional, estando el flotador dentro de un tubo de mayor diámetro, mejorando la eficiencia de cierre y garantizando una vida útil mayor del dispositivo. El nivel de análisis experimental nos permite definir el comportamiento del flujo al momento de ingresar a nuestro dispositivo de flotación y poder generalizar nuestros diseños en función a caudales, presiones y diámetros particulares.
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Taller SANBASUR. Pacheco Herberth. 2,003.
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