Manual WaterCAD

CURSO - TALLER

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Aplicación de WaterCAD V8i

INSTRUCTOR:

ING. YURI MARCO SANCHEZ MERLO

CURSO - TALLER

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA Aplicació Aplicación de WaterCAD V8i

INSTRUCTOR:

ING. YURI MARCO SANCHEZ MERLO

Introducción (1.0 horas) Revisión de conceptos de Sistemas de Distribución de Agua Modelamiento de Sistemas de Distribución de Agua Hidráulica de Sistemas de Distribución de Agua Programas de Cómputo para al Análisis y Diseño de Sistemas de distribución de Agua WaterCAD V8i. Características. Taller N°1 (1.5 horas) Análisis Hidráulico en Flujo Permanente Taller N°2 (2.5 horas) Uso de Escenarios y Alternativas Taller N°3 (2.5 horas) Análisis Hidráulico en Flujo No Permanente

SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE CAPTACION

Fuente sub -superficial Qmd

OBRAS DE CAPTACION L.C. por gravedad Qmd

OBRAS DE CONDUCCION OBRAS DE PURIFICACION

CAPTACION

Fuente superficial Qmd

OBRAS DE DISTRIBUCION

RESERVORIO

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA CRUDA L.C. de agua cruda Qmd

Qmh Qmd + Qci Qmín

L.C. de agua tratada Qmd

Estación de Bombeo CAPTACION

RED DE DISTRIBUCION

Línea de Impulsión L.C. por bombeo 24 Qb = ----- x Qmd N

Línea de Aducción Qmh Qmd + Qci Qmín

Fuente Subterránea Pozo Profundo

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

PRODUCCION

DISTRIBUCION

1

MODELAMIENTO DE LA RED A) Nodos (Nodes):

Uniones, tanques y reservorios

Coordenadas (X,Y)

B) Conexiones (Links):

Tuberías

Del Nodo Al Nodo

C) Elementos Híbridos:

Bombas y válvulas

Nodo 1

Nodo 2 Conexión

(X1,Y1)

(X2,Y2)

MODELAMIENTO DE LA RED Modelo esqueletonizado en base a Nodes y Conexiones

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

2

PARTES DE UN MODELO HIDRÁULICO Topología Datos Físicos

Datos del Modelo

Datos de Demanda Datos Operacionales Datos de Condiciones Iniciales

MODELOS HIDRÁULICOS

Software de Modelamiento

Algoritmo del solución del sistema

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

Modelo de Planeamiento y Diseño Modelos Estáticos

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

Modelos Dinámicos Modelos Estratégicos Modelos de Detalle

Modelo de Operación

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

3

APLICACIONES MODELAMIENTO DE LA RED

Aplicaciones Generales de los modelos matemáticos

‰

Permiten determinar las presiones en los nudos y los caudales reales que circulan por las tuberías, para unas condiciones de trabajo dadas

‰

Ayudan a diagnosticar el estado de la red y detectar sus problemas

‰

Apoyan en estimar la eficiencia hidráulica del sistema y evaluar las fugas

‰

Permiten planificar las mejoras a efectuar en la red de una forma efectiva, aprovechando así mejor las inversiones

‰

Permiten mejorar las condiciones de operación de la red para garantizar las presiones, ahorrar energía, etc.

‰

Permiten determinar y controlar la calidad del agua que le llega a los abonados, tras viajar por la red

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO Identificar el Tipo de Modelo (Necesidad)

Datos para la Calibración

Mapas / Planimetría Cartografía del Sistema

Programa de Cómputo

Construcción topológica Esqueletonización

Estudiar el Programa

Información: Tuberías, uniones, válvulas, tanques, bombas, etc.

Pruebas del Programa

I II III

IV VI VII

Demanda de agua

Calibración del Modelo Cálculos diversos (Desarrollo Escenarios)

Almacenamien to de Datos

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

V

Documentos de Resultados

4

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA I : Mapas / Planimetría Cartografía del Sistema

CAD, GIS, Imágenes Satelitales

Archivos:

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA II : Construcción topológica - Esqueletonización CAPTACION

TANQUE

ESTACION DE BOMBEO

CISTERNA

Archivos CAD, GIS y/o planos en papel a digitalizar Determine tuberías a ser incluidas Procesos manuales o automáticos Identificadores para nodos y conexiones Verificar en campo Revisar la conectividad entre elementos Involucrar operadores del sistema Establecer instructivos, procedimientos y/o protocolo para futuras construcciones de modelo

Tener presente los planos de replanteo de obra

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

5

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA II : Construcción topológica - Esqueletonización

Importante: Grados o Niveles de Esqueletoniozación

Fuente:

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA III : Información de los componentes

Tuberías: (Pipe) ‰

Longitud (2D ó 3D) Longitud real (quiebres)

‰

Diámetro (Real – Interior) Hazen - Williams (redes de distribución) Rugosidad : Darcy - Weisbach (flujo laminar y turbulento en general) Chezy - Manning (tuberías de gran diámetro) Material

‰ ‰

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

6

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA III: Información de los componentes qi

Nudos: (Junction) ‰

Demanda

Elevación

qi Ingreso de Flujo

A

C

B

Cambio de dirección

A = Nivel del Usuario B = Nivel de la tubería

D1

D2

Cambio de diámetro

C = Nivel de terreno o calzada

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA III : Información de los componentes

Tanques de Almacenamiento: (Tank) ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰

Tipo de tanque por su funcionamiento: Cabecera o Flotante Elevación de Terreno Niveles de Operación : Máximo, mínimo, inicial, rebose Sección del tanque (Circular Î Diámetro) Diámetros de las tuberías: Ingreso, salida, by pass, rebose, limpia Componentes hidráulicos: válvulas de cierre, macromedidor, etc.

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

7

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA III : Información de los componentes

Bomba: (Pump) ‰ ‰

Son dispositivos que comunican una carga al flujo que la atraviesa Como información básica requerimos conocer su curva característica Bomba nueva: Fabricante Bomba con años de operación: Mediciones de campo

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA III : Información de los componentes

Válvulas Reductoras de Presión: (VRP) Limitan la presión en el punto aguas abajo para que no exceda de una presión prefijada, siempre que la presión aguas arriba sea superior a ésta.

‰ ‰ ‰

Elevación de Terreno Diámetro de la válvula Niveles de Operación : Presión ó cota piezométrica prefijada aguas abajo

Reservorio LCE hf

LEH

LEH sin VRP

Pmáx = 50 m.c.a. LCE Zona de Presión I

LEH con

VRP

CRP - VRP - PRV

LEH Línea de Energía Hidráulica LCE Línea de Carga Estática hf Pérdida de carga Pmáx Presión Dinámica Máxima CRP - VRP - PRV Cámara Reductora de Presión

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

hf

Pmáx = 50 m.c.a.

Zona de Presión II

8

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA III : Información de los componentes

Válvulas Sostenedoras de Presión: (VSP) Limitan la presión en el punto aguas abajo para que no exceda de una presión prefijada, siempre que la presión aguas arriba sea superior a ésta.

Reservorio LCE hf

LEH

LEH sin VRP

Pmáx = 50 m.c.a. LCE Zona de Presión I

LEH con

VRP

CRP - VRP - PRV

Línea de Energía Hidráulica LEH LCE Línea de Carga Estática hf Pérdida de carga Pmáx Presión Dinámica Máxima CRP - VRP - PRV Cámara Reductora de Presión

hf

Pmáx = 50 m.c.a.

Zona de Presión II

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA IV : Demanda de agua

CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA DE LOS NUDOS Gasto por unidad de lote o conexión Gasto por unidad de longitud Gasto por unidad de área – Método de Áreas

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

9

CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA MÉTODO DE ÁREAS Nudo

Reservorio

1

-

-

2

A-02

q2

3

A-03

q3

4

A-04

q4

5

A-05

q5

6

A-06

q6

7

A-07

q7

8

A-08

q8

9

A-09

q9

3

TOTAL

AT

QD

A-03

AT = ∑ Ai

Area Total = Area de Servicio

QD = ∑ qi

Caudal de Diseño

AT = ∑ Ai

Area Total = Area de Servicio

q

A-02

A-06

2

q6

Mediatrices

q

q

5

Red Matriz

q

A-04

A-05 4

qi = qu x Ai Caudal de Influencia del nudo "i"

q

qu = QD / AT Caudal Unitario

9

q

7

A-07

q

8

A-08

Area de Influencia Caudal de de cada nudo (Ai) Influencia (q i)

A-09

Límite de Area de Influencia

qi Residencial

Industrial

Comercial

i

ETAPA V: PROGRAMAS DE CÓ CÓMPUTO UTILIZADOS EN EL ANÁ ANÁLISIS Y DISEÑ DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA Programa de cómputo

WATNET

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

Nombre

Página WEB

Comercial / Libre

LOOP

www.emcentre.com

Libre

EPANET

www.epa.gov/ORD/NRMRL/wswrd/epanet.html www.redhisp.upv.es/software/epanet

Libre

PIPE2000

www.kypipe.com

Comercial

MIKENET

www.bossintl.com www.dhigroup.com

Comercial

H2ONET

www.mwhsoft.com

Comercial

WATNET

www.wrcplc.com

Comercial

WaterCAD/GEMS

www.haestad.com www.bentley.com

Comercial

10

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA VI : Calibración del Modelo ¾ Comparar los valores modelados vs valores observados ¾ Ajustar el modelo hasta que reproduzca lo real ¾ Certeza en el modelo como herramienta de decisió decisión

ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA VI : Calibración del Modelo Variables que se ajustan: HIDRÁ HIDRÁULICOS ‰ Coeficientes de pé pérdidas de carga por fricció fricción en los tramos ‰ Consumos de agua – Demanda ‰ Estado ‰ Diá Diámetro

CALIDAD DE AGUA ‰ Tasa de decaimiento de masa ‰ Tasa de decaimiento de pared

Pmodelo = Pmedido en campo

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

HGLmodelo = HGLmedido en campo

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ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

ETAPA VII : Cálculos diversos (Desarrollo Escenarios) Una vez Calibrado el Modelo, se puede iniciar a realizar las diferentes diferentes simulaciones con el sistema Es incorrecto realizar cá cálculos con un modelo NO calibrado

Diferentes ESCENARIOS de cálculo

LEYENDA ESQUEMA DE UNA RED MATRIZ

N-04 y N-05 T-08 Q-08 q4 y q5

Nudos Numeración de Tramo Caudal del Tramo T-8 Caudales de influencia de los nudos

Tramo: Segmento de tubería, que va de nudo a nudo, dará servicio a un área definida. Debe llevar una numeración correlativa para su identificación

Nudo: Puntos de encuentro de tramos, o de ingreso o salida de agua, o cambio de diámetro. Cada nudo tiene su área de influencia. Debe llevar una numeración correlativa para su identificación

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

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ANÁ ANÁLISIS Y SIMULACIÓ SIMULACIÓN DE REDES DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA El análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entre las características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrial y público), los caudales y cargas en un momento determinado. Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado, mediante un cálculo hidráulico (al modelo matemático).

Aplicaciones del análisis y simulación de redes:

Conocer el comportamiento de los sistemas de distribución de agua. Estimación de niveles de servicio. Diseño de nuevos sistemas. Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente. Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes. El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.

ANÁ ANÁLISIS DE FLUJO PERMANENTE - ANÁ ANÁLISIS ESTÁ ESTÁTICO En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros de todos los tramos de la red, los niveles en los tanques y las demandas en los nudos, y se busca la distribución de caudales y presiones en la red, en condiciones de demanda y niveles constantes. ANÁLISIS DE FLUJO NO PERMANENTE - ANÁ - SIMULACIÓ ANÁLISIS DINAMICO SIMULACIÓN DE PERIODOS EXTENDIDOS - SIMULACIÓ SIMULACIÓN CONTINUA - SIMULACIÓ SIMULACIÓN EN EL TIEMPO. En una red de agua potable la demanda varía durante el día, y con ello los niveles en los tanques y la operación de la bomba y se busca la distribución de caudales y presiones en la red para diferente instantes del día (Ejemplo cada hora). Se puede decir que un análisis de flujo no permanente es una secuencia de estados de flujo permanente con diferentes demandas en cada estado.

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

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CÁLCULO HIDRÁ HIDRÁULICO DE REDES DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA LEYES FUNDAMENTALES PARA UNA RED MATRIZ

¾Primera Ley de Kirchoff - Condición de Continuidad Para un Nudo : La

suma de los gastos que entran y salen de un nudo es igual a cero

m

Donde:

Σ Qij + qi = 0

- Qij = Caudal en el tramo ij

j=1

- qi = Demanda en el nudo i - m = Cantidad de nudos que concurren al nudo i - n = Cantidad es la cantidad de nudos

i = 1, 2, 3, . . . . n

- Qij = 0 , si no existe conexión entre los nudos i y j

qi Q1

Q3 Nudo i

Q2

Q1 + Q2 - Q3 + qi = 0

CÁLCULO HIDRÁ HIDRÁULICO DE REDES DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA LEYES FUNDAMENTALES PARA UNA RED MATRIZ

¾Primera Ley de Kirchoff - Condición de Continuidad Para un Sistema : La

suma de los gastos que entran y salen en un sistema será igual a la variación del nivel de agua en los almacenamientos Q1

q2

q1

q4

q3

q5

m

n

s=1

i=1

q6

Σ qs + Σ Qi = dV/dt

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

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LEYES FUNDAMENTALES PARA UNA RED MATRIZ

¾Segunda Ley de Kirchoff - Condición de Conservación de Energía En todo Circuito :

La suma algebraica de las pérdidas de carga en las tuberías es es igual a cero

m

Σ hfj = 0

- Donde: - hfj = Pérdida de carga en el tramo ij

j=1

- m = Cantidad de tramos en el circuito

Para cada uno de los circuitos cerrados

1

2

hf 12

hf 23

hf 13 hf12 + hf23 - hf13 = 0

3

FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DE RESISTENCIA AL FLUJO EN CONDUCTOS A PRESIÓN 1) Fórmula de Darcy - Weisbach

hf = f

L V2 ------ -------D 2g

Donde:

h f = m Qn

f = Factor de fricción [sin dimensiones]

L m = 0.0827 f -------D

D = Diámetro [m]

n =2

hf = Pérdida de carga [m]

L = Longitud del tubo [m] V = Velocidad media de flujo [m/s] G = aceleración de la gravedad [m/s2] k = rugosidad Re = Número de Reynolds Q = Caudal (m3/s)

64 f = ------Re

Poiseuille (1846). Para tubos lisos y rugosos en la zona laminar, donde el número de Reynolds no rebasa el valor crítico 2300

1 Re f ------ = 2 log -----------f 2.51

Nikuradse (1920). Tubos lisos - zona turbulenta, hasta valores de N° Reynolds = 3 x 106

1 3.71 D ------ = 2 log -----------f k

Nikuradse (1920). Tubos rugosos - zona turbulenta.

1 ------ = - 2 log f

k 2.51 ------------ + ------------3.71 D Re f

{

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

}

Colebrock – White presentaron esta fórmula para la zona de transición de flujo laminar a turbulento en tubos comerciales. Diagrama de Moody.

15

FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DE RESISTENCIA AL FLUJO EN CONDUCTOS A PRESIÓN 2) Fórmula de Hazen - Williams

Q = 0.85 C A R0.63 S0.54 Q = 0.278531 C D2.63 S0.54

Donde: Q = Caudal [m3/s] C = Coeficiente de rugosidad [sin dimensiones] A = Área [m2]

h f = m Qn m = 10.64

L ----------------1.85 C D4.87

n = 1.85

R = Radio hidráulico [m] S = hf / L = Pendiente [m/m] hf = Pérdida de carga [m] D = Diámetro [m] L = Longitud del tubo [m]

En Resumen, para todo conducto a presión:

hf = m

n =2

(Fórmula de Darcy – Weisbach)

n = 1.85

(Fórmula de Hazen y William)

Qn

HISTORIA DE LA MODELACIÓN DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

Fuente: BENTLEY

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

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MÉTODOS DE CÁ CÁLCULO - MÉTODOS DE VERIFICACIÓ VERIFICACIÓN ‰Método de Hardy Cross con corrección de caudales en los circuitos ‰Método de Hardy Cross con corrección de cotas piezométricas en los nudos ‰Método de Linealización - Teoria Lineal ‰Método de Newton Raphson ‰Método del Gradiente

Son métodos numéricos, iterativos, que permiten balancear la red, mediante el ajuste de Q y H hasta encontrar los caudales reales que circula en cada tubería de la red.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CÁLCULO DE UNA RED DE DISTRIBUCÍÓN DE AGUA Viene Modelamiento del Sistema

Predimensionamiento de la Red Cálculo de los diámetros de los tramos

Cálculo Hidrá Hidráulico Métodos de Verificación Permiten hallar el flujo real por cada tramo

Cálculo de: Velocidad (V) en los tramos. Presión (P) en los Nudos

No

Programas de Có Cómputo

Programas de Có Cómputo

Programas de Có Cómputo

¿Presió Presión? ¿Velocidad?

Sí No

¿Mínimo Costo?

Sí Va

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

17

WaterCAD Stand Alone WaterCAD for AutoCAD WaterCAD for Microstation WaterGEMS

Visitar las siguientes páginas WEB: www.epanet.com www.bentley.com www.haestad.com

Diferencias entre Plataformas de Trabajo Plataforma de Trabajo

WaterCAD Stand Alone

Entorno Gráfico

Cartografía / Planimetría

Edición de la Planimetría

Propio

*.DXF *.SHP *.JPG *. BMP *.TIF, etc

Se realiza en el programa de origen

La extensión principal del WaterCAD es:

*.WTG WaterCAD for AutoCAD

AutoCAD

*.DWG

Editable Nota: en un proyecto se generarán otros archivos como: *.MDB *.

WaterGEMS

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

ArcGIS

*.SHP

Editable

18

Fuente: BENTLEY

Fuente: BENTLEY

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

19

WaterCAD Stand Alone (Interfaz Autónoma)

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

20

PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA

Tuberí Tubería a presió presión – Tramo Unió Unión a presió presión – Nudo (N) Unió Unión a presió presión – Nudo (N) Tanque de almacenamiento (TA) Reservorio – Embalse – P.T. Reservorio – Embalse – P.T. Bomba Baterí Batería de Bombas de Vel. Vel. Variab. Variab. Turbina

PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA

Pressure Reduction Valve

Válvula Reductora de Presió Presión

Pressure Sustaining Valve

Válvula Sostenedora de Presió Presión

Pressure Breaker Valve

Válvula Rompedora de Presió Presión

Flow Control Valve

Válvula de Control de Flujo

Throttle Control Valve

Válvula de control (Impedimento (Impedimento))

General Purpose Valve

Válvula de Propó Propósito General Válvula de Aislamiento

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

21

MODELO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓ DISTRIBUCIÓN DE AGUA UTILIZANDO PROTOTIPOS DE WaterCAD

RESERVORIO Reservorio : Estructura hidráulica donde el nivel de agua se considera constante y el volumen infinito. Con este Prototipo se modela: embalses, cámaras de salida de plantas de tratamiento de agua, captaciones, pozos profundos (acuíferos), etc.

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

Reservorio

Elevación de Agua (m)

R-1

N.A.

22

TANQUE Tanque: Estructura hidráulica donde el nivel de agua es variable en el tiempo y volumen finito.

Se debe indicar la sección del tanque y dimensiones (Si es circular debemos ingresar el diámetro) Tipo de tanque por su funcionamiento: Cabecera o Flotante

TUBERÍA A PRESIÓN

Tuberí Tubería: Tubería a presión que interconecta una estructura hidráulica con otra.

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

23

UNIONES A PRESIÓN

Nudo: Prototipo que representa consumo o demanda de agua o un ingreso de agua al sistema.

qi

BOMBA

Bomba: Elemento hidráulico que permite incrementar presión al sistema.

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

24

Válvula Reductora de Presión

Reservorio LCE hf

LEH

LEH sin VR P

Pmáx = 50 m.c.a. LCE Zona de Presión I

LEH con

hf

VRP

CRP - VRP - PRV

Pmáx

LEH Línea de Energía Hidráulica LCE Línea de Carga Estática Pérdida de carga hf Pmáx Presión Dinámica Máxima CRP - VRP - PRV Cámara Reductora de Presión

Zona de Presión II

Válvula Sostenedora de Presión

Reservorio LCE LEH - con VSP

hf

LEH

Area de Servicio I

Reservorio

LCE sin V

SP

L EH

S con V

P

CSP - VSP - PSV

LEH LCE hf Pmáx CSP - VSP - PSV

Línea de Energía Hidráulica Línea de Carga Estática Pérdida de carga Presión Dinámica Máxima Cámara Sostenedora de Presión

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

Area de Servicio II

25

Válvula de Control de Flujo

Desarrollo de Talleres con WaterCAD V8i

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

26

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA

TALLER N°1

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Taller N°1 CONTENIDO

Análisis Hidráulico de una Red de Distribución en Estado Estático

Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

PROGRAMA WaterCAD V8i

ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA

TALLER N°1 – PÀGINA 1

Taller N°1 Análisis Hidráulico en Flujo Permanente de una Red de Distribución de Agua Realizar el cálculo hidráulico de la red de distribución mostrada en el Gráfico N°1, en Estado Estático, aplicando el Programa de Cómputo WaterCAD/GEMS.

Gráfico N°1 Observa: que el modelo de la red de distribución está compuesto por un Tanque (Tank T-1), tuberías a presión (P-1, P-2, P-3, ...) y uniones a presión (J-1, J-2, J-3, .).

PROGRAMA WaterCAD V8i

ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA

1.

TALLER N°1 – PÀGINA 2

Creación y Configuración de un Nuevo Proyecto

1. En el Menú despegable seleccionar File/New ó Ctrl+N.

Luego, al crear un nuevo modelo, en primer lugar se deberá definir la configuración básica del Proyecto. Para ello en el menú Analysis seleccionar Calculation Options (Opciones de cálculo).

2. En la ventana de la derecha, aceptaremos la configuración por defecto que se muestra. Así tenemos que la ecuación de Hazen – Williams se usará como método de cálculo de la fricción (Friction Method). 3. Ver que el tipo de análisis (Time Analysis Type), seleccionado es en Estado Estático (Steady State). 4. Como líquido a modelar se considera Water at 20C (68F) (Liquid).

Cabe señalar que: ♦ WaterCAD/GEMS, puede modelar tuberías a presión con diferentes fluidos a diversas temperaturas ♦ Para balancear hidráulicamente la red, utiliza el Método de Gradiente, que es iterativo.

PROGRAMA WaterCAD V8i

ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO

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TALLER N°1 – PÀGINA 3

Con respecto a las opciones generales del proyecto, es necesario definir el sistema de unidades de nuestra preferencia, los colores de fondo y frontales, los tamaños de los textos y símbolos. Para el caso de la opciones generales del Proyecto, es necesario definir los siguiente: Ahora en el menú Tools elegimos Options. En el presente Taller, trabajaremos en forma esquemática (La longitud en el modelo no es real, tendremos luego que digitar la longitud de cada tramo) Por lo que, en la etiqueta , en la sección Drawing Scale, seleccione Schematic. Introducir 5 en Symbol Size Multiplier y 10 en Text Height Multiplier, en la sección Annotation Multipliers, (multiplicadores de anotación) como los valores multiplicadores para las anotaciones y símbolos del dibujo.

Asimismo, debemos verificar el sistema de unidades con la cual estará configurado el Proyecto.

En la ventana Options, en la etiqueta , en , seleccionar SI (System International)

También en Default Unit System for New Project, seleccionar SI (Sistema Internacional). Luego, hacer clic OK.

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TALLER N°1 – PÀGINA 4

El WaterCAD/GEMS, ofrece asignar valores por defecto a cada uno de los prototipos a utilizar en el modelo hidráulico.

Para ello, vaya al menú View seleccionar Prototypes.

y

Hacer click en el botón New, para crear un nuevo prototipo (Pipe Prototype-1)

Para el caso de las tuberías (Pipe), en la ventana de diálogo de la derecha configurar como se muestra, donde se considera como datos por defecto: Diámetro = 100 mm Material = PVC Hazen y William C = 140 Luego cerrar la ventana Prototypes (Prototipos). Recordar que estos serán datos que por defecto contendrá cada tubería al inicio, luego se podrá modificar sus datos para cada uno de ellos.

Guardar como “Taller N°1_AHEE.wtg”, en la siguiente carpeta C:\Mis documentos\Taller N°1.

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2.

TALLER N°1 – PÀGINA 5

Recuperación de la Cartografía (Planimetría)

Para recuperar la planimetría de la zona de estudio, se puede realizar lo siguiente, estando trabajando en WaterCAD /GEMS:

En el menú seleccionamos la Layers.

despegable View, opción Background

En la ventana de diálogo Background Layers. En el primer botón de la izquierda New File.

, elegir

En el directorio C:\Mis documentos\Taller N°1, ubicar y abrir el archivo “Plano Taller N°1.dxf”.

Observar que el WaterCAD/GEMS, puede insertar planimetrías de la zona de Estudio en diversos formatos: DXF, SHP, BMP, JPG, JPEG, JPE, TIFF, etc.

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TALLER N°1 – PÀGINA 6

Aparecerá la ventana de la derecha, configurar como se indica y luego hacer click en OK.

Si no aparece la planimetría, presionar el botón zoom extents de la barra de herramientas superior para obtener una vista de toda la extensión del modelo.

PROGRAMA WaterCAD V8i

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TALLER N°1 – PÀGINA 7

3. Ubicación de Componentes y trazado de la Red de Distribución de Agua. Luego de recuperar la planimetría, se inicia con ubicar cada uno de los componentes de la red de distribución y el trazado de las tuberías, para ello hacer uso de los Prototipos (Tank, Pressure Pipe y Pressure Junction)

Barra de Prototipos

Nota: Durante el trazado verificar que el nombre o etiqueta (Label) de cada elemento coincida con lo señalado en el gráfico. PROGRAMA WaterCAD V8i

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TALLER N°1 – PÀGINA 8

4. Ingreso de Datos – Entering Data A)

Ingresando datos a través de ventanas de diálogo

Hacer doble click sobre el Tank “T-1” (O haciendo click derecho y seleccionr Properties).

En la ventana de la derecha ingresar en: Operating Range: -

Base: 420 m Mínimo: 422 m Inicial: 425 m Máxima : 425 m

Physical: -

Elevación: 420 m.s.n.m. Diámetro: 16 m

Recordar que el WaterCAD/GEMS, calcula las cotas piezométricas a partir de la elevación inicial (Elevation Initial). Este es un dato de condición inicial (Initial Setting)

PROGRAMA WaterCAD V8i

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B)

TALLER N°1 – PÀGINA 9

Ingresando Datos a través Tablas Flexibles – FlexTables: Para el presente Taller, ingresaremos los datos de las tuberías y de las uniones, haciendo uso de tablas.

1. Hacer click en el en el botón FlexTables ó Ctrl + 7, para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table.

Alcances: Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las columnas mostradas y en el mismo orden. Hacer click en (Edit). Observa que puedes añadir o remover columnas del lado derecho al izquierdo y viceversa.

Para ordenar la columna Label, hacer click derecho sobre dicha columna y seleccionar Sort (Ordenar) y luego ascendente. En la columna Hazen – William C, hacer click derecho y seleccionar Global Edit, seleccionar operación SET, digitar en Global Edit 140 y luego hacer click en OK PROGRAMA WaterCAD V8i

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TALLER N°1 – PÀGINA 10

2. Para el caso de las Uniones a presión seleccionar la Tabla de Reporte de Uniones a Presión – Junction Table. Ingresar la elevación (Elevation) de cada unión.

Alcances: Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las columnas mostradas y en el mismo orden. Hacer click en (Edit). Observa que puedes añadir o remover columnas del lado derecho al izquierdo y viceversa.

Para ordenar en forma ascendente la columna Label, hacer click derecho sobre dicha columna y seleccionar Sort (Ordenar) y luego ascendente.

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TALLER N°1 – PÀGINA 11

ASIGNACIÓN DE LA DEMANDA

Para asignar la demanda requerida en cada uno de las uniones, hacer click en Control Center (Centro de Control de Demandas)

Demand

En el mensaje de la derecha hacer click en Yes (Si)

Luego, en la ventana de Demand Control Center (Centro de Control de Demandas), hacer click en el primer botó de la izquierda y seleccionar Initialize Demands for All Elements.

Asignar la demanda a cada unión, como se muestra en la ventana siguiente:

Alcance: Para ordenar en forma ascendente la columna Label, hacer click derecho sobre dicha columna y seleccionar Sort (Ordenar) y luego ascendente. Verificar las unidades.

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TALLER N°1 – PÀGINA 12

5. Proceder al Cálculo. Run - Correr el Programa

1. Hacer click en el ícono Debiendo obtener la ventana de la derecha. En la cual el programa señala que la red se ha balanceado después de 04 iteraciones (Trials) con un error de cierre ΔQ = 0.0003147. .

Asimismo en la ventana de notificaciones (User Notifications), debiendo visualizar los mensajes siguientes:

En esta ventana el programa señala que el tanque está lleno (Full) Recordar que el WaterCAD /GEMS, para efectuar el balance hidráulico, es decir determinar los caudales reales que circula por cada tubería, hace uso del Método del Gradiente.

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TALLER N°1 – PÀGINA 13

6. Visualización y verificación de resultados Existen diversas formas de visualizar y verificar los resultados en el programa WaterCAD V8i: A)

Ventanas de Diálogo (Properties): cada elemento o prototipo tiene su ventana de diálogo o de propiedades y se activa haciendo click derecho sobre el elemento que se quiere revisar y seleccionamos Properties o también se puede hacer doble clic en el elemento para mostrar dicha ventana. Por ejemplo, para la tubería P-1, hacer cilck derecho sobre esta tubería y seleccione Properties, debiendo mostrar lo siguiente:

En Resultados (Results), se tiene lo siguiente: Flow Velocity Headloss Gradient Headloss Hydraulic Grade (Start) Hydraulic Grade (Stop)

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= = = = = =

Caudal que circula por dicha tubería = 67.00 l/s Velocidad del flujo = 0.53 m/s Gradiente Hidráulico = 0.657 m/Km Pérdida de carga total = 0.53 m Cota piezométrica inicial (Aguas arriba) = 425.00 m Cota piezométrica final (Aguas abajo) = 424.47 m

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B)

TALLER N°1 – PÀGINA 14

Tablas Flexibles – FlexTables – Tabular Reports: hacer click en el botón Reporte tabular – Tabular Reports, para mostrar las tablas dinámicas.

de

Hacer click en el en el botón FlexTables, para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table.

Verifique que sus resultados de las tuberías coincidan con lo que se muestra a continuación:

En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente: Flow Velocity Headloss Gradient Headloss (friction)

= = = =

Caudal que circula por dicha tubería Velocidad del flujo Gradiente de pérdida de carga Pérdida de carga por fricción con las paredes de la tubería

Si quiere cambiar las unidades de uno de las columnas, hacer click derecho en el encabezado de la columna y seleccionar formatinng, luego elegir la unidad (Unit) y el número de decimales (format).

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TALLER N°1 – PÀGINA 15

Para el caso de las Uniones a presión seleccionar la Tabla de Reporte de Uniones a Presión – Junction Table. Verifique que sus resultados en las uniones coincidan con lo que se muestra a continuación:

En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente: Demand Hydraulic Grade Pressure

= = =

Demanda total de agua requerida en la unión Cota piezométrica en la unión Presión en la unión

Responder: Para las tuberías Pregunta

Tubería

Valor

Unión

Valor

¿Qué tubería tiene la mayor velocidad y cuál es su valor en m/s? ¿Qué tubería tiene la mayor pérdida de carga y cuál es su valor en m? Para las uniones Pregunta ¿Qué unión tiene la mayor presión y cuál es su valor en mH2O? ¿Qué unión tiene la menor cota piezométrica y cuál es su valor en m?

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TALLER N°1 – PÀGINA 16

Otras formas de reporte son: D)

Element Symbology

Con esta herramienta podemos: Color Coding Annotation

: colorear la red de acuerdo algún atributo ó : anotaciones en los elementos del modelo.

Colorear los nudos en función a la presión:

Colorear las tuberías en función a la velocidad:

F)

GeoGrapher: Administrador de Gráficos

G)

Profile: permiten graficar perfiles longitudinales. Por ejemplo: de terreno, hidráulicos, etc.

I)

Contour: para graficar isolíneas, es decir curvas de igual elevación, presión, etc.

Nota.- seguir las indicaciones del instructor para su aplicación PROGRAMA WaterCAD V8i

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TALLER N°2

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Taller N°2 CONTENIDO

Análisis Hidráulico en Estado Estático Uso de Escenarios y Alternativas

Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

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TALLER N°2 – PÀGINA 1

Taller N°2 Análisis Hidráulico en Estado Estático – Uso de Escenarios y Alternativas En el presente Taller, aplicando escenarios y alternativas, realizaremos las siguientes 02 simulaciones hidráulicas de la red mostrada: Simulación N°1:

Se analizará para condiciones de demanda máxima, el Escenario se denominará “Demanda Máxima”.

Simulación N°2:

Analizaremos para las mismas condiciones de demanda máxima y la demanda para atender un incendio en la unión J-10 (Caudal = 30 l/s) , el Escenario lo denominaremos “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”.

Gráfico N°1 Observa: que el modelo de la red de distribución está compuesto por un Tanque (Tank T-1), Reservorio (R-1), Bomba (PMP-1), Válvulas Reductoras de Presión (PRV-1 y PRV-2), tuberías a presión (P-1, P-2, P-3, ...) y uniones a presión (J-1, J-2, J-3, .).

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1.

TALLER N°2 – PÀGINA 2

Edición del Modelo

En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente “Taller N°2.wtg”. Debiéndose visualizar la red del Gráfico N°1 de la página 1. Ingresando Datos de Demanda: Haciendo uso del Centro de Control de Demandas, ingresar la demanda máxima en cada una de las uniones del modelo.

Hacer click en

Unión

Demanda Máxima (l/s)

J-1 J-2 J-3 J-4 J-5 J-6 J-7 J-8 J-9 J-10

0 5 10 7 8 5 6 9 6 5

Demand Control Center (Centro de Control de Demandas)

En el mensaje de la derecha hacer click en Yes (Si)

Luego, en la ventana de Demand Control Center (Centro de Control de Demandas), hacer click en el primer botón de la izquierda y seleccionar Initialize Demands for All Elements. Verificar que la unidad de la columna Demand (Base), debe estar en l/s. Para ello, hacer click derecho en la columna de Demand (Base), y seleccionar Units and Formatting. Del menú seleccionar l/s como unidad de demanda con 2 decimales. Hacer click en Ok. Ahora ingrese los valores de la demanda máxima dada.

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TALLER N°2 – PÀGINA 3

Ingresando datos del Tanque:

Tanque

Elevación Base (m)

Elevación Mínima (m)

Elevación Inicial (m)

Elevación Máxima (m)

Diámetro (m)

T-1

120

121

122

125

16

Hacer doble click sobre el símbolo del Tank “T-1” (O haciendo click derecho y seleccionr Properties).

En la ventana de la derecha ingresar en: Operating Range: -

Base: 120 m Mínimo: 121 m Inicial: 122 m Máxima : 125 m

Physical: -

Elevación: 120 m.s.n.m. Diámetro: 16 m

Recordar que el WaterCAD/GEMS, calcula las cotas piezométricas a partir de la elevación inicial (Elevation Initial). Este es un dato de condición inicial (Initial Setting)

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TALLER N°2 – PÀGINA 4

Ingresando datos del Resevorio: Reservorio

Elevación (m)

R-1

60

Nivel de agua en la fuente

Ingrese a la ventana de propiedades del Reservorio “R-1”, haciendo doble click sobre el símbolo.

En la ventana de la derecha ingresar en: Physical: -

Elevación: 60

Recordar que el WaterCAD/GEMS, que el valor de elevation está referido al nivel de agua en la fuente.

Ingresando datos de las Válvulas Reductoras de Presión (PRV-1 y PRV-2):

Válvula

Elevación (m)

Diámetro (mm)

HGL Inicial (Hydraulic Grade) (m)

Dirección de Flujo

PRV-1

75

200

90

P-10 Æ P-11

PRV-2

75

200

90

P-14 Æ P-13

Para ingresar los datos de las válvulas reductoras de presión, lo haremos haciendo uso de los reportes tabulares. Para ello:

1. Hacer click en FlexTables ó Ctrl + 7, para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar PRV Table.

Es probable, que deba hacer clic en columnas.

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(Edit), para configurar la tabla, agregar o quitar

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TALLER N°2 – PÀGINA 5

En las ventanas de propiedades de las válvulas reductoras de presión (PRV-1 y PRV-2), verifique que en el campo Setting Type (Tipo de configuración), figure Hydraulic Grade (Cota piezométrica).

Datos de la Bomba (PMP-1): Bomba

Elevación (m)

Descarga (l/s)

Carga (m)

PMP-1

58

0

85

60

70

80

50

Primero debemos definir las características de la bomba. En el menú despegable seleccionar Components y Pump Definitions. Hacer click en el botón New e ingresar el nombre de la definición de la bomba como “Bomba 1”. En el menú despegable Pump Definition Type, seleccionar Standard (3 Point) e ingrese los datos, que se muestra. En la pestaña Efficiency, defina una eficiencia constante del 100% (Constant Efficiency). Hacer click en Close.

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TALLER N°2 – PÀGINA 6

Luego de haber definido las características de la bomba, hacer doble click sobre el símbolo de la Bomba “PMP-1” En la ventana de la derecha ingresar en: Physical: -

Elevación: 58 m

En Pump Definition, seleccionar “Bomba 1” (Recuerda que esta definimos anteriormente)

Ingresando datos de las Tuberías: A partir del archivo de Excel “Datos Taller N°2” (Ubicarlo en el directorio), copiar los datos de longitud (Length) y diámetro (Diameter). Abrir el archivo de Excel. Asimismo, hacer click en el en el botón FlexTables. Seleccionar y abrir la tabla de tuberías (Pipe Table). Si es necesario deberá configurar la tabla (orden de columnas) como se muestra.

Del archivo de Excel, copiar (Ctrl.+C) la columna de Diámetro (Parte numérica) y pegar en la columna de Diameter en la Tabla de Tuberías (Pipe Table) en WaterCAD.

Lo mismo con los datos de Longitud, copiar (Ctrl.+C) la columna de Longitud (Parte numérica) y pegar en la columna de Length (User Defined) en la Tabla de Tuberías (Pipe Table) en WaterCAD.

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TALLER N°2 – PÀGINA 7

Debiendo mostrar lo siguiente:

Alcances: Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las columnas mostradas y en el mismo orden. Así como verificar unidades.

Ingresando datos de las Uniones: Del archivo de Excel “Datos Taller N°2”, copiar los datos de Elevación (Elevation). Asimismo, hacer click en el en el botón FlexTables. Seleccionar y abrir la tabla de uniones (Junction Table). Si es necesario deberá configurar la tabla (orden de columnas) como se muestra.

Del archivo de Excel, copiar (Ctrl.+C) la columna de Elevación (Parte numérica) y pegar en la columna de Elevation en la Tabla de Uniones (Junction Table) en WaterCAD.

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TALLER N°2 – PÀGINA 8

Debiendo mostrar lo siguiente:

Alcances: Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las columnas mostradas y en el mismo orden. Así como verificar unidades.

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TALLER N°2 – PÀGINA 9

2. Simulación 1: Condición de Demanda Máxima Realizado la edición del Modelo e ingresado los datos, estamos listos para realizar las 02 simulaciones planteadas al inicio del presente Taller.

En la ventana de Escenarios (Scenarios), primero renombre el Escenario “Base” con el nombre “Demanda Máxima”. .

Asimismo, este escenario tendrá como alternativa de demanda “Demanda Máxima”, para lo cual en la ventana de alternativas, renombramos la alternativa de demanda “Base Demand” como se muestra.

Antes de ejecutar el escenario “Demanda Máxima”, debe verificar que en las opciones de cálculo (Calculation Options), que como Tipo de cálculo (Calculation Type), sea hidráulico (Hydraulics Only) y que el tipo de análisis (Time Analysis Type) sea en estado Estático (Steady State). Debiendo observarse su ventana de propiedades como se muestra a la derecha.

.

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TALLER N°2 – PÀGINA 10

Hacer click en el ícono Debiendo obtener la ventana:

En la cual el programa señala que la red se ha balanceado después de 05 iteraciones (Trials) con un error de cierre ΔQ = 0.0003115. Visualice y verifique, mediante los reportes tabulares (Tablas), los parámetros de entrada y resultados que prefiera. Recuerdo que las Tablas la podemos editar de acuerdo a nuestros requerimientos. Por ejemplo, para esta primera simulación, los resultados para las uniones debe ser:

En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente: Demand Hydraulic Grade Pressure

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= = =

Demanda total de agua requerida en la unión Cota piezométrica en la unión Presión en la unión

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TALLER N°2 – PÀGINA 11

3. Simulación 2: Demanda Contra Incendio en J-10 La segunda simulación consistirá en analizar la red para la condición de demanda máxima y la atención de un incendio en el nudo J-10, el cual se atenderá con un caudal igual a 30 l/s. Por lo que la demanda total en el Nudo J-10, será 35 l/s (5 l/s (Demanda Máxima) + 30 l/s (Caudal pata atender el incendio)). Para ello, definiremos una nueva alternativa de demanda, para luego crear un nuevo escenario para esta simulación. En la ventana de alternativas, sobre la alternativa de demanda “Demanda Máxima” hacer click derecho y seleccione New y luego Child Alternative.

La nueva alternativa de demanda “Demand Alternative – 1”, renómbrelo como “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”. Observar que la nueva alternativa está como hijo de la alternativa anterior, habiendo heredado todos sus valores. En la nueva alternativa, corregiremos únicamente la demanda de la unión J-10.

Hacer doble click sobre la alternativa “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10” e ingresar una demanda de 35 l/s en la unión J-10. Debiendo mostrar lo siguiente:

Haga click en Close. PROGRAMA WaterCAD V8i

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TALLER N°2 – PÀGINA 12

Enseguida, debemos crear un nuevo escenario (hijo), para analizar la red con la nueva alternativa creada “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”.

En la ventana de escenarios, sobre el escenario “Demanda Máxima” hacer click derecho y seleccione New y luego Child Scenario.

El nuevo escenario “Scenario - 1”, renómbrelo como “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”. Observar que el nuevo escenario está como hijo del escenario anterior, habiendo heredado todos sus alternativas. En el nuevo escenario, cambiaremos su alternativa de demanda.

En la ventana de escenarios, hacer doble click sobre el escenario “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”, para activar su ventana de propiedades. Modificar la alternativa de demanda (Demand), seleccionando la alternativa “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”. Tener en cuenta que las otras alternativas serán las mismas que para la primera simulación.

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TALLER N°2 – PÀGINA 13

Retornando a la ventana de Escenarios, haga click en el botón despegable Run.

y seleccionar Batch

En la ventana Batch Run, puede ejecutar todos o algunos escenarios simultáneamente. Seleccione con un check el escenario “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10” y hacer click en Batch.

En el mensaje de confirmación (Please Confirm), hacer click en Sí.

Luego tendremos el siguiente mensaje de finalización, hacer click en Aceptar.

Visualice y verifique, mediante los reportes tabulares (Tablas), los parámetros de entrada y resultados que prefiera de esta segunda simulación. Para ello, primero deberá asegurarse que el escenario “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10” se encuentre activo, haciendo click en

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(Make Current), debiendo observarse:

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TALLER N°2 – PÀGINA 14

Por ejemplo, para esta segunda simulación, los resultados para las uniones deben ser:

En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente: Demand Hydraulic Grade Pressure

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= = =

Demanda total de agua requerida en la unión Cota piezométrica en la unión Presión en la unión

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TALLER N°2 – PÀGINA 15

4. Resultados Responder: Para las tuberías Simulación 1 Pregunta

Tubería

Valor

Simulación 2 Tubería

Valor

¿Qué tubería tiene la mayor velocidad y cuál es su valor en m/s? ¿Qué tubería tiene la mayor pérdida de carga y cuál es su valor en m? Para las uniones Simulación 1 Pregunta

Unión

Valor

Simulación 2 Unión

Valor

¿Qué unión tiene la mayor presión y cuál es su valor en mH2O? ¿Qué unión tiene la menor cota piezométrica y cuál es su valor en m?

Para el Tanque Simulación 1 Pregunta

Llenando ó vaciando

Caudal

Simulación 2 Llenando ó vaciando

Caudal

¿Cuál es la situación del Tanque se está llenando o vaciando y con qué caudal? Ejercicio Adicional: Realice la siguiente simulación: Simulación N°3:

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Modificaremos el diámetro de las tuberías P-2, P-3 y P-11, Ahora serán de 300 mm, 250 mm y 150 mm respectivamente. Estas modificaciones las analizaremos para la demanda máxima. El Escenario se denominará “Demanda Máxima + Diámetros modificados P-2, P-3 y P-11”.

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TALLER N°3

MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Taller N°3 CONTENIDO

♦ Análisis Hidráulico de una Red de Distribución en Periodos Extendidos (Flujo No Permanente). Considerando reservorio, bomba, tanque, tuberías a presión y uniones a presión. ♦ Asignación de Patrones de Consumo ♦ Controles Operacionales

Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

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TALLER N°3 – PÀGINA 1

Taller N°3 Análisis Hidráulico en Flujo No Permanente de una Red de Distribución de Agua Realizar el análisis hidráulico en periodos extendidos de la red de distribución de agua mostrada en la siguiente figura:

Aplicando escenarios y alternativas, generaremos 02 escenarios: Simulación N°1:

Se analizará para un periodo de 24 horas, el control de encendido y apagado de las bombas PMP-1 y PMP-2 se realizará en función al nivel de agua en el tanque T-1, el Escenario se denominará “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque”.

Simulación N°2:

En esta segunda simulación en periodos extendidos (24 horas), analizaremos la red considerando el bombeo directo a la red pero sin el tanque de almacenamiento, debiendo desactivar la tubería P-25 y el tanque T-1, por lo que el control de encendido y apagado de la bomba PMP-2 se realizará en función al caudal que circula en el tramo P´6, el Escenario lo denominaremos “Escenario N°2: Sin Tanque”.

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TALLER N°3 – PÀGINA 2

1. Creación e Ingreso de los Patrones Hidráulicos de Demanda

En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente “Taller N°3.wtg”. Debiéndose visualizar la red mostrada en la página 1. Este archivo contiene el modelo ya elaborado, donde ya se ingresó los datos físicos (elevaciones en las uniones, elevaciones en el tanque, características de la bomba, características de las tuberías), datos de demanda (Demanda promedio de agua en las uniones), dato de condiciones iniciales (Nivel de agua inicial en el tanque, bomba PMP-1 encendida, bomba PMP-2 apagada) Para realizar el Análisis Hidráulico en Periodos Extendidos, debemos ingresar al programa de cómputo la variación de cada tipo de consumo durante el periodo de análisis, a través de los Patrones Hidráulicos (Pattern Hidraulic), los cuales luego se asignarán a cada unión a presión (Pressure Junction). Para el presente Taller crearemos dos patrones de consumo los cuales denominaremos: uno “Residencial” y el otro “Comercial”.

En el menú despegable seleccionar Components / Patterns.

Debiendo aparecer la ventana de la derecha Patterns. Para el caso de patrones de consumo deberá seleccionar la categoría de patrones hidráulicos “Hydraulic”.

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TALLER N°3 – PÀGINA 3

Hacer click en el botón New e ingresar el nombre del patrón de consumo como “Residencial”. Ingresar los valores mostrados en la ventana de la derecha. El Tiempo inicial (Start Time), definir como: 00:00:00 ó 12:00:00 a.m., depende de la configuración de su Sistema operativo Windows. Como multiplicador inicial (Starting Multiplier) digitar 1.10, en formato de patrón (Pattern Format) seleccionar: Continuo (Continous) Completar la tabla inferior como se muestra.

Observa que el multiplicador inicial (Starting Multiplier) debe coincidir con el último multiplicador (Multiplier)

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TALLER N°3 – PÀGINA 4

Nuevamente, hacer click en el botón New e ingresar el nombre del otro patrón de consumo como “Comercial”. Ingresar los valores mostrados en la ventana de la derecha. El Tiempo inicial (Start Time), definir como: 00:00:00 ó 12:00:00 a.m., depende de la configuración de su Sistema operativo Windows. Como multiplicar inicial (Starting Multiplier) digitar 1.20, en formato de patrón (Pattern Format) seleccionar: Continuo (Continous) Completar la tabla inferior como se muestra.

Ahora, los patrones de consumo creados, deberán ser asignados a las uniones a presión (Pressure Junctions) correspondiente, de la siguiente manera:

Hacer click en Demand Control Center (Centro de Control de Demandas) En la columna Pattern (Demand), asignar el patrón correspondiente a cada una de las uniones, como se muestra al lado derecho. Luego cerrar la ventana (Close).

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TALLER N°3 – PÀGINA 5

2. Configuración de la eficiencia de las bombas del sistema Ahora, vamos a definir la eficiencia de la bomba, para ello en el menú despegable seleccionar Components y Pump Definitions. Seleccione la “Bomba-1”. Observar que dicha bomba ya tiene ingresado sus características (Curva de la bomba, definida por 03 puntos). Ingrese a la opción Eficiencia (Efficiency).

En la ventana Efficiency, seleccione como Eficiencia de bomba (Pump Efficiency) a Best Eficiency Point. Ingrese en BEP Flow: 80 l/s y en BEP Efficiency, una eficiencia de 75%. Hacer click en Close.

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TALLER N°3 – PÀGINA 6

Ahora en la ventana de propiedades de la bomba PMP-1, seleccionar en Definición de Bomba (Pump Definition) “Bomba-1”.

Lo mismo en la ventana de propiedades de la bomba PMP-2, seleccione en Definición de Bomba (Pump Definition) “Bomba-1”.

Observe que el estado inicial (Status (Initial)), de la PMP-1 es ON (Encendido) y de la PMP-2 es OFF (Apagado), esto es para la hora inicial de cálculo (00:00:00 horas).

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TALLER N°3 – PÀGINA 7

3. Configuración de Controles Operacionales En el Escenario N°1, el funcionamiento de las bombas (Encendido y apagado), se establecerán de acuerdo al nivel de agua en el tanque de almacenamiento, así: Si Si Si Si

nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 54 m nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 55 m nivel de agua en tanque T-1 es menor a 53 m nivel de agua en tanque T-1 es menor a 52 m

Condición (Condition) En el menú despegable Components y Controls.

entonces entonces entonces entonces

bomba PMP-2 debe apagarse. bomba PMP-1 debe apagarse. bomba PMP-1 debe encenderse. bomba PMP-2 debe encenderse.

Acción (Action)

seleccionar

Debiendo mostrase la siguiente ventana:

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TALLER N°3 – PÀGINA 8

Seleccione la pestaña Conditions. Luego haga click en el botón New opción Simple.

y seleccione la

Configurar la primera condición (Conditions) como se muestra a continación: Condition Type: Element Element: T-1 (Para ubicar el Tanque T-1 hacer uso del botón ) Tank Attribute: Hydraulic Grade (Cota piezométrica ó cota de nivel de agua en el tanque) Operator: > Hydraulic Grade: 54 m.

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TALLER N°3 – PÀGINA 9

Realice el mismo procedimiento realizado para la primera condición, para crear las 03 condiciones restantes, debiendo verse la pestaña Conditions como sigue:

Ahora, seleccione la pestaña Actions. Luego haga click en el botón New opción Simple.

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y seleccione la

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TALLER N°3 – PÀGINA 10

Configurar las acciones (Actions), debiendo mostrarse como sigue:

A continuación, seleccione la pestaña Controls, para configurar los controles combinando las condiciones y acciones creadas anteriormente, luego haga click en el botón New . En la parte inferior se despliega las opciones de configuración donde el opeador solicita una condición, mientas los operadores y piden se seleccione las acciones correspondientes. A continuación se observa la creación del primer control:

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TALLER N°3 – PÀGINA 11

Crear los controles restantes, debiendo mostrarse lo siguiente:

Los 04 controles lógicos creados, serán utilizados en el Escenario N°1, para ello debemos hacer que estos controles se agrupen en un “SET” de controles lógicos. Ingrese a la pestaña Logical Control Sets. Hacer click en el botón New

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.

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TALLER N°3 – PÀGINA 12

En la ventana Logical Control Set, añadir (con el botón Add) los cuatro controles lógicos de la izquierda a la derecha, como se muestra. Luego hacer click en OK.

Nombre el Grupo de Control (Control Set) como “Controles del Tanque”. Luego cerrar la ventana.

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TALLER N°3 – PÀGINA 13

4. Creación del Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque En la ventana de alternativas, seleccionar la alternativa Operational (Operacional), hacer click derecho y seleccione New y luego Base Alternative y nombrarlo como “Control del nivel de agua en el Tanque”.

Ahora debe hacer doble click sobre la alternativa creada “Control del nivel de agua en el Tanque”. En la siguiente ventana seleccionar en Control Set “Controles del Tanque”, debiendo mostrar lo siguiente:

Hacer click en Close. En la ventana de escenarios, sobre el escenario “Base” hacer click derecho y seleccione New y luego Base Scenario, nombre el nuevo escenario como “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque”.

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TALLER N°3 – PÀGINA 14

Ingrese en la ventana de Calculation Options, hacer doble click sobre la opción de cálculo Base y configúrelo como se muestra a la derecha. En la ventana de propiedades de la opción de cálculo Base, seleccione en Time Análisis Type “EPS” (Simulación en Periodos Extendidos”. Como tiempo inicial (Start Time) las 12:00:00 a.m. ó 00:00:00, dependerá de la configuración del sistema Windows. La duración (Duration) será 24 horas, el paso de tiempo hidráulico (Hydraulic Time Step) de 1 hora (Quiere decir que el programa nos proporcionará resultados hidráulicos cada hora)

Regresando a la ventana de escenarios, hacer doble click sobre el escenario “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque”, para activar su ventana de propiedades. Modificar la alternativa de operacional (Operational), seleccionando la alternativa “Control del nivel de agua en el Tanque”.

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5. Ejecución del Escenario N°1 En la ventana de Escenarios, seleccionar el escenario “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque” y haga click en el botón Compute .

Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la simulación en periodos extendidos:

Observamos que se muestra un resultado para cada paso de tiempo hidráulico de 01 hora, existiendo también horas intermedias, las cuales corresponden a un cambio operacional ocurrido con algún elemento. Trials, significa el número de iteraciones que realizó el programa para balacear la red para cada uno de los pasos de tiempo hidráulico.

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TALLER N°3 – PÀGINA 16

6. Visualización y verificación de resultados del Escenario N°1 Observaremos gráficos de variación del nivel de agua en el tanque T-1 y la variación del caudal de bombeo de la bomba PMP-1, para ello haremos uso de gráficos temporales, seguir la siguiente secuencia: Sobre el elemento Tanque T-1, hacer click derecho y seleccionar Graph. En la ventana de la derecha en Fields (Campos) elegir sólo Hydraulic Grade (Cota piezométrica). Luego hacer click en OK.

Mostrándose, la gráfica de variación del nivel de agua (cota piezométrica) en el Tanque T-1.

Tener presente que en la parte superior existe la etiqueta Data, en la cual podrá observar los valores del nivel de agua del tanque para las diferentes horas.

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TALLER N°3 – PÀGINA 17

Sobre el elemento Bomba PMP-1, hacer click derecho y seleccionar Graph. En la ventana de la derecha en Fields (Campos) elegir sólo Flow (Flujo). Luego hacer click en OK.

Obsérvese la gráfica del caudal de bombeo, apreciándose que la bomba PMP-1 se apagó 03 veces.

En la parte superior existe la etiqueta Data, donde podremos observar los valores del caudal de bombeo de la bomba PMP-1.

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TALLER N°3 – PÀGINA 18

Ahora vamos a graficar las curvas de variación de presiones de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-18, para ello haremos uso de otra forma de visualizar gráficos, los cuales podrán guardarse en forma permanente:

Hacer click en el botón Graphs

.

Ahora, en la ventana Graphs, haga click en el botón New y seleccionar Line Series Graph.

Deberá visualizar, la ventana Select.

Con el botón , seleccionar las uniones J-3, J-8, J-11 y J-16, luego hacer click derecho y elegir Done. En la ventana de la derecha, hacer un check en Pressure (Presión). Debe quitar el check en Hydraulic Grade (Cota piezométrica).

Luego hacer click en OK.

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TALLER N°3 – PÀGINA 19

Curvas de variación de presión de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-16.

En la ventana Graphs, renombre el gráfico creado como: “Curvas de Variación de Presiones en uniones J-3, J-8, J-11 y J-16”. Luego, cerrar la ventana Graphs.

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TALLER N°3 – PÀGINA 20

7. Creación de Escenario N°2: Bombeo Directo sin Tanque a Velocidad Constante El Escenario N°2, consistirá en realizar la simulación en periodos extendidos de la misma red de distribución trabajada en el Escenario N°1, considerando bombeo directo a la red sin el tanque de almacenamiento T-1. Para ello utilizaremos el mismo modelo el Escenario N°1, desactivando la tubería P-25 y el tanque T-1, haciendo uso de la alternativa topológica (Activar y desactivar elementos del modelo) Asimismo, los controles operacionales de encendido y apagado de la bomba PMP-2 estará condicionada al caudal que circule por la tubería P-6.

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TALLER N°3 – PÀGINA 21

Primero, desactivaremos la tubería P-25 y el Tanque T-1. En la ventana de alternativas, seleccionar la alternativa Base Active Topology (Topología Activa Base), hacer click derecho y seleccione New y luego Child Alternative.

Esta nueva alternativa topológica, nombrarlo como “Sin Tanque”.

Hacer doble click en la alternativa “Sin Tanque”. En lo que corresponde a Pipe (Tubería), desactive la tubería P-25, quite el check en la columna “Is Active?”

Ahora, ingrese a la etiqueta Tank, desactive la tanque T-1, quite el check en la columna “Is Active?”

Observe que mediante las alternativas topológicas Ud. puede activar y desactivar elementos de su modelo.

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TALLER N°3 – PÀGINA 22

Ahora, crearemos un escenario denominado “Escenario N°2: Sin Tanque”. En la ventana de escenarios, sobre el escenario “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque” hacer click derecho y seleccione New y luego Child Scenario.

El nuevo escenario renómbrelo “Escenario N°2: Sin Tanque”.

como

Teniendo seleccionado el nuevo escenario, hacer click en , para que este escenario sea el activo (Make current).

En la ventana de escenarios, hacer doble click sobre el escenario “Escenario N°2: Sin Tanque”, para activar su ventana de propiedades. Modificar la alternativa de Topología activa (Active Topology), seleccionando la alternativa “Sin Tanque”. Tener en cuenta que las otras alternativas serán las mismas que para la primera simulación.

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TALLER N°3 – PÀGINA 23

En el Escenario N°2, el funcionamiento de la bomba PMP-2 (Encendido y apagado), se establecerá de acuerdo al caudal que circula en la tubería P-6, así: Si caudal en la tubería P-6 mayor o igual a 65 l/s

entonces bomba PMP-2 debe encenderse si no bomba PMP-2 debe apagarse.

Condición (Condition)

Acciones (Actions)

En el menú despegable seleccionar nuevamente Components y Controls.

En la ventana de Controles (Controls), seleccione la pestaña Conditions. Luego haga click en el botón New

y seleccione la opción Simple.

Configurar la condición (Conditions), para este Escenario N°2, como se muestra a continación: Condition Type: Element Element: P-6 (Para ubicar la tubería P-6 hacer uso del botón Pipe Attribute: Flow (Caudal o Flujo) Operator: >= Discharge: 65 l/s.

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)

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TALLER N°3 – PÀGINA 24

A continuación, seleccione la pestaña Controls, para configurar los controles combinando las . En la parte condicion y acciones creadas anteriormente, haga click en el botón New inferior se despliega las opciones de configuración donde el opeador solicita una condición, mientas los operadores y piden se seleccione las acciones correspondientes. A continuación se observa la creación del control:

Este último control lógico creado, será utilizado en el Escenario N°2, para ello debemos hacer que este control integre un “SET” de controles lógicos. Ingrese a la pestaña Logical Control Sets. Hacer click en el botón New

.

En la ventana Logical Control Set, añadir (con el botón Add) el último control lógico de la izquierda a la derecha, como se muestra. Luego hacer click en OK.

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TALLER N°3 – PÀGINA 25

Nombre el nuevo Grupo de Control (Control Set) como “Bomba PMP-2 controlado por el caudal en P-6”. Luego cerrar la ventana.

En la ventana de alternativas, seleccionar la alternativa Operational (Operacional), hacer click derecho y seleccione New y luego Base Alternative y nombrarlo como “Control sin Tanque”.

Ahora debe hacer doble click sobre la alternativa creada “Control sin Tanque”. En la siguiente ventana seleccionar en Control Set “Bomba PMP-2 controlado por el caudal en P-6”, debiendo mostrar lo siguiente:

Hacer click en Close.

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TALLER N°3 – PÀGINA 26

En la ventana de escenarios, sobre el escenario “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque” hacer click derecho y seleccione New y luego Child Scenario, nombre el nuevo escenario como “Escenario N°2: Sin Tanque”.

Hacer doble click sobre el escenario “Escenario N°2: Sin Tanque”, para activar su ventana de propiedades. Modificar la alternativa de operacional (Operational), seleccionando la alternativa “Control sin Tanque”.

Otra vez, estando en la ventana de Escenarios, seleccionar el escenario “Escenario N°2: Sin Tanque” y haga click en el botón Compute .

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TALLER N°3 – PÀGINA 27

Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la simulación en periodos extendidos del Escenario N°2:

Grafique las curvas de variación de presión de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-16, para el Escenario N°2, debiendo observase:

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TALLER N°3 – PÀGINA 28

8. Resultados Responder: Para las tuberías Simulación 1

Simulación 2

Pregunta Tubería

Valor

Tubería

Valor

¿A las 14 horas, qué tubería tiene la mayor velocidad y cuál es su valor en m/s? ¿Qué tubería tiene la mayor pérdida de carga y cuál es su valor en pies, a las 8 horas?

Para las uniones

Simulación 1

Simulación 2

Pregunta Tubería

Valor

Tubería

Valor

¿A la hora de mínimo consumo, qué unión tiene la menor cota piezométrica y cuál es su valor en m? ¿A qué hora se presenta la menor presión en el sistema, cuál es su valor en PSI y en qué Nudo se presenta?

Para las bombas y tanque Simulación 1

Simulación 2

Pregunta Tubería

Valor

Tubería

Valor

¿A las 18 horas, cuál es el nivel de agua en el tanque en m? ¿A las 20 horas, cuál es el estado de la bomba PMP-1 y cuál es su potencia en HP?

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