Evaluación del comportamiento hidráulico y la longitud de la bajante principal en un sistema de drenaje sifónico con sumideros independientes

Abstract

El presente proyecto de investigación fue realizado para poder evaluar el comportamiento hidráulico de un sistema sifónico en relación a la altura de la bajante principal, y con ello dar el primer paso para poder incursionar a la comunidad científica peruana en el desarrollo de la tecnología de drenaje sifónicos y adaptación del mismo a nuestra realidad. El desarrollo experimental de la tesis tuvo lugar en el Vivero Municipal de Breña donde se construyó un sistema sifónico de 3 sumideros independientes que conectan entre sí a un colector para finalmente descargar a una bajante principal mediante 2 codos de 45º. Cada uno de estos sumideros es abastecido por una bomba centrífuga independiente; además, el colector horizontal cuenta con 2 manovacuómetros ubicados estratégicamente. Gracias a estos equipos se pudo obtener datos referentes al caudal y a la presión en el sistema instalado. En total se evaluaron 24 escenarios, cada uno correspondiente a una altura específica de la bajante principal teniendo como altura máxima H=2.66 m reduciéndose hasta una altura mínima de H=0.35 m. En cada escenario se realizó una prueba hidráulica y una consecutiva que verificara la veracidad de la anterior, además se realizó un cálculo hidráulico en cada escenario para evaluar si efectivamente el sistema se encontraba trabajando como un sistema sifónico. Se encontró que mientras la longitud de la bajante se reducía, la capacidad hidráulica total disminuía progresivamente desde los 13.89 l/s hasta los 6.89 l/s manteniendo la proporcionalidad de los caudales individuales en el sistema. Además, las presiones de los manovacuómetros mostraron un comportamiento de incremento conforme se reducía la longitud de la bajante, obteniéndose un crecimiento progresivo de las presiones a lo largo de los escenarios en los manovacuómetros P-01 y P-02 con valores de -0.09 a 0.50 m.c.a. y de -1.40 a 0.09 m.c.a. respectivamente durante los 24 escenarios. La investigación demostró que solo en los primeros 22 escenarios el sistema trabajó como un sistema sifónico teniendo un porcentaje de error promedio con el cálculo hidráulico de 4.32%, 3.10% y 2.87% para los caudales Q1, Q2 y Q3 respectivamente. En el escenario 23 (H=0.45) se encontró un porcentaje de error de 10.10%, 6.56% y 4.86% para los mismos caudales resultando en un sistema sifónico incompleto. Finalmente, en el Escenario 24 (H=0.35m) el sistema dejó de trabajar como un sistema sifónico a partir de la parte final del colector principal con porcentajes de error de 28.02%, 25.34% y 21.73%. Además, las pruebas hidráulicas mostraron una velocidad mínima en la bajante principal de 2.289 m/s con la cual el sistema sifónico logró cebarse siendo la velocidad obtenida del escenario 23, el cual fue el último escenario donde el sistema logró cebarse demorando alrededor de 2 a 3 minutos en hacerlo. Además, se deduce que para que el tiempo de cebado no fuera tan prolongado es recomendable usar velocidades en la bajante principal que garanticen que la presión mínima en todo el sistema se ubique a la salida del codo de 45º que conecta a la bajante principal y no del codo de 45º que conecta al colector horizontal, siendo el caso específico del sistema instalado una velocidad de 2.75 m/s. Finalmente se concluye que la bajante principal no solo afecta a la capacidad hidráulica de un sistema sifónico, sino que, también afecta directamente al tiempo de cebado debido a que, el arrastre hidráulico generado cuando el sistema se encuentra totalmente cebado, también se genera en menor proporción durante el proceso de cebado y en casos con velocidades muy bajas en la bajante principal el sistema nunca lograría cebarse.

This paper was carried out in order to evaluate the hydraulic behavior of a siphonic system in relation to the height of the main downpipe, and thus take the first step for the Peruvian scientific community to enter in the development of siphonic drainage technology and its adaptation to our reality. The experimental research took place in “Vivero Municipal de Breña” where a siphonic system was built with 3 independent drains that connect to a collector to finally discharge to a main downpipe through 2 elbows of 45º. Each of these drains is supplied by an independent centrifugal pump. In addition, the horizontal collector has 2 vacuum pressure gauge that are strategically located. Thanks to this equipment, it was possible to get flow and pressure data. A total of 24 scenarios were evaluated, each one corresponding to a specific height of the main downpipe with a maximum height of H=2.66 m and a minimum of H=0.35 m. In each scenario, a hydraulic test was performed and a consecutive test were performed in order to verify the veracity of the previous one, and also a hydraulic calculation was performed in each scenario to evaluate if the system was effectively working as a siphonic system. It was found that as the length of the main downpipe was reduced, the total hydraulic capacity decreased progressively from 13.89 l/s to 6.89 l/s while maintaining the proportionality of the individual flows in the system. In addition, the vacuum pressures gauges showed an increasing behavior as the length of the downspout was reduced, obtaining a progressive growth of the pressures throughout the scenarios in the P-01 and P-02 vacuum pressures gauges with values from -0.09 to 0.50 m.c.a. and from -1.40 to 0.09 m.c.a. respectively during the 24 scenarios. The investigation showed that only the first 22 scenarios worked as a siphonic system having an average error percentage with the hydraulic calculation of 4.32%, 3.10% and 2.87% for flows Q1, Q2 and Q3 respectively. In scenario 23 (H=0.45) an error percentage of 10.10%, 6.56% and 4.86% was found for the same flow rates resulting in an incomplete siphonic system. Finally, in Scenario 24 (H=0.35m) the system stopped working as a siphonic system from the final part of the main collector with error percentages of 28.02%, 25.34% and 21.73%. In addition, the hydraulic tests showed a minimum velocity in the main downpipe of 2.289 m/s with which the siphonic system was able to prime, being the velocity obtained from scenario 23, which was the last scenario where the system was able to prime, taking about 2 to 3 minutes to do so. In addition, it is deduced that in order for the priming time not to be so long, it is advisable to use velocities in the main downpipe that guarantee that the minimum pressure in the entire system is located at the outlet of the 45º elbow that connects to the main downspout and not the 45º elbow that connects to the horizontal collector, being the specific case of the installed system a velocity of 2.75 m/s. Finally, it is concluded that the main downpipe not only affects the hydraulic capacity of a siphonic system, but also directly affects the priming time because the hydraulic drag generated when the system is fully primed is also generated in a lower proportion during the priming process and in cases with very low velocities in the main downspout the system would never prime.