HIDRÁULICA DE TUBERÍAS. ABASTECIMIENTO DE AGUA, REDES Y RIEGOS (4ª Edición)

El manejo sostenible y sustentable del agua, la eficiencia en su uso, su transporte y su conservación, se han convertido en temas estratégicos para la sociedad actual, en particular en los grandes centros urbanos donde los problemas de escasez de agua y contaminación de las fuentes se han vuelto críticos. También en el uso agrícola de este recurso, donde los riegos representan alrededor del 70 % del consumo humano de agua, es un problema que debe ser enfrentado por la ingeniería.

El propósito de este libro es apoyar la labor de los ingenieros encargados del manejo de los recursos hídricos, facilitando los procesos de diseño, operación y mantenimiento de sistemas de tuberías. Para esto, el texto está centrado en el uso intensivo de las tecnologías de información y en la optimización de diseños con base en heurísticas de inteligencia artificial y en técnicas más tradicionales de investigación operacional, como la programación lineal entera y la programación lineal, todo esto encaminado a un uso racional del agua.

Hidráulica de tuberías está compuesto por diez capítulos que pueden ser leídos en secuencias diferentes según el tipo de trabajo de diseño u operación que se quiera resolver. Además de acceso y recursos de internet: el libro cuenta con las versiones académicas de los programas de redes y riegos, 16 programas de sistemas de tuberías, 5 hojas electrónicas y enlaces con grupos de discusión sobre material relacionado. Adicionalmente, para enfocarlo a la enseñanza, los docentes pueden adquirir el acceso a más de 1500 diapositivas, a la actualización de artículos junto con bases de datos referentes a la hidráulica de tuberías y a las clases virtuales del autor.

Es un libro para el profesional del sector y también para nuevos profesionales o estudiantes que trabajen en sistemas de agua potable, de drenaje urbano, de riego y, en general, en transporte de fluidos. Esta obra, sin duda, le facilitará su trabajo en el manejo de los recursos hídricos y de todos los trabajos relacionados.

ÍNDICE COMPLETO DEL LIBRO:

Parte 1 • HIDRÁULICA BÁSICA DE TUBERÍAS. El capítulo 1 se dedica a establecer las teorías sobre las que se basa todo el diseño de sistemas de tuberías con flujo a presión. Describe de forma detallada el desarrollo histórico del actual conocimiento del flujo turbulento en tuberías. Parte de los trabajos de Newton y Darcy y finaliza con los de Prandtl, Von Kármán, Nikuradse, Colebrook y White. Se basa en una aplicación rigurosa de las leyes de conservación de la masa y de la energía, de la mecánica clásica. Establece de forma clara las teorías de cantidad de movimiento, de flujo viscoso, de análisis dimensional, de longitud de mezcla y de interacción fluido-pared sólida que han permitido entender el flujo turbulento en las tuberías y que permanecen como uno de los pocos casos de flujo turbulento con ecuaciones de diseño completamente desarrolladas y probadas en la práctica. Al final del capítulo aparece una tabla de resumen de estas ecuaciones. Aunque es un capítulo básico para entender el flujo en las tuberías a presión, su lectura puede ser dejada de lado por el lector que no desee conocer con detalle la procedencia de las ecuaciones de diseño. El capítulo 2 está dedicado al diseño de las tuberías simples, es decir, aquellas tuberías con diámetro, material y caudal constante, que son la base para el diseño de los sistemas más complejos. En él se establecen los cuatro tipos de problemas de tuberías a los que se ve enfrentado el diseñador de tuberías y se describen las formas de solución: la comprobación de diseño, el cálculo de potencia, el diseño en sí y la calibración. Esto lleva a la presentación de los seis primeros diagramas de flujo y a los seis primeros programas, así como la primera hoja electrónica, los cuales serán la base de los programas que se presentan en los demás capítulos. En la página web del libro se encuentra un icono que identifica los 19 programas complementarios al texto. Haciendo doble clic con el ratón sobre el icono seleccionado, el lector podrá utilizar cualquiera de los programas. El capítulo 3 presenta las ecuaciones y metodologías alternas para el diseño de tuberías simples. Las teorías de longitud de mezcla y de interacción fluido-pared sólida de Prandtl llevaron a ecuaciones no explícitas de diseño. Este problema fomentó el planteamiento de ecuaciones netamente empíricas para el diseño de sistemas de tuberías, algunas tratando de seguir unidas a la ecuación de Darcy-Weisbach y otras siguiendo un camino completamente diferente. Algunas de estas ecuaciones alcanzaron un éxito importante en la práctica de la ingeniería y siguen siendo utilizadas en el presente. Entre las ecuaciones de este tipo se destacan las de Moody, Word, Barr, Swamme-Jain y Hazen-Williams. Las cuatro primeras siguen la metodología de Darcy y la última es completamente independiente. El Capítulo 3 presenta estas ecuaciones, con ejemplos para los cuatro tipos de problemas de diseño de tuberías antes descritos. Al final del capítulo se hace una comparación entre las ecuaciones de Hazen-Williams y de Darcy-Weisbach en conjunto con la de Colebrook-White.

Parte 2 • SISTEMAS DE TUBERÍAS. A partir del capítulo 4 se inicia con el análisis de los sistemas complejos de tuberías. Sin embargo, las soluciones a los problemas de diseño en estos sistemas se basan en los seis algoritmos planteados en el Capítulo 2. El Capítulo 4 aborda el problema de operar sistemas de tuberías con bombas. Se establece en detalle el efecto que una bomba tiene sobre la línea de gradiente hidráulico del flujo en una tubería y se introducen los conceptos de curva de la bomba y curva del sistema. Después de introducir los conceptos básicos de la operación de bombas se desarrolla la metodología de diseño de esta, la cual queda incluida en los diagramas de flujo 7 y 8 y en el programa 7, así como en la hoja electrónica No. 3. El capítulo 5 establece las metodologías de diseño de las tuberías en serie y de las tuberías en paralelo. La primera parte del capítulo se relaciona con el diseño de los sistemas en serie; nuevamente se establecen las metodologías para resolver los tres primeros tipos de problemas del diseño de sistemas de tuberías, las cuales quedan resueltas en tres diagramas de flujo con sus correspondientes programas. En esta parte del capítulo se introducen los diagramas de flujo 9, 10, 11ª, 11b, 12 y 13 con sus respectivos programas y con la hoja electrónica No. 4. Al final de esta primera parte se estudian los tubos porosos, caso particular de los tubos en serie, utilizados en los sistemas de riego que se estudian en el capítulo 10. La segunda parte del Capítulo 5 analiza el caso de las tuberías en paralelo. Los diagramas de flujo 14, 15 y 16 y sus correspondientes programas y la hoja electrónica No. 4 contienen las metodologías de solución de los tres primeros tipos de problemas para el caso de sistemas en paralelo. Capítulo 6. Desarrolla el caso de las redes abiertas o sistemas de redes matrices en sistemas de abastecimiento de agua, aquellas tuberías expresas que interconectan los diferentes tanques del sistema. Para el análisis de este tipo de redes se introduce el concepto de balance de cantidad en un nodo y luego se procede a establecer las metodologías de diseño de los tres tipos de problemas en el caso de las redes abiertas. Se desarrollan los diagramas de flujo 17, 18, 19 y 20 y sus correspondientes programas. Los 17 programas relacionados con todos los diagramas de flujo antes mencionados fueron desarrollados como parte integral del texto Hidráulica de tuberías, abastecimiento, redes, riegos. Como se indicó antes, los archivos ejecutables se encuentran en la página web del libro. Todos los programas fueron desarrollados en lenguaje Object Pascal en plataforma Delphi para Windows y pueden funcionar en cualquier ordenador compatible.

Parte 3 • REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE (RDAP). El capítulo 7 está relacionado con las redes cerradas de tuberías, es decir, las redes que contienen al menos un circuito cerrado y que conforman los sistemas típicos de distribución de agua potable en los centros urbanos. Se plantean las ecuaciones correspondientes a la conservación de la masa y la conservación de la energía para así plantear las ecuaciones necesarias para el cálculo hidráulico. Se describen con detalle las diferentes metodologías para resolver problemas de diseño de redes cerradas partiendo de las más antiguas, como la de Hardy Cross, hasta las más modernas, como la del gradiente, la cual es utilizada por la mayoría de los programas comerciales de tuberías a nivel mundial. Se muestra cómo las metodologías existentes para la simulación de redes de distribución de agua se desarrollaron únicamente para el primer tipo de problemas de tuberías, la comprobación del diseño. El capítulo 8 aborda los temas de diseño optimizado de RDAP. En su primera parte se introduce el tema del diseño de redes orientado a minimizar los costes económicos manteniendo las restricciones hidráulicas. Para esto se describen los datos necesarios para el diseño, como las presiones mínimas, los caudales de consumo, la proyección de población y los costes de instalación de tuberías, entre otros. Luego se muestran los procedimientos tradicionales de diseño con el fin de compararlos con los procesos modernos, basados en metodologías de inteligencia artificial y herramientas de tecnologías de información. Se llega hasta el punto de lograr un diseño óptimo. En el capítulo se presentan las diferentes RDAP patrón a nivel mundial, las cuales son utilizadas para probar las diferentes heurísticas y metodologías de diseño de este tipo de sistemas de tuberías. Al final del capítulo se hace una introducción al programa REDES. Una versión académica de este programa, limitada a redes de máximo 100 tubos, se encuentra en la página web del libro. El capítulo 9 se dedica a temas avanzados en la hidráulica de sistemas de tuberías. En su primera parte muestra el desarrollo matemático requerido para incluir diferentes tipos de accesorios y subsistemas dentro de las redes de distribución, utilizando el método del gradiente, base para desarrollar programas de simulación verdaderamente completos. En su segunda parte se introduce el tema de la calibración de RDAP, nuevamente haciendo énfasis en la información requerida y las metodologías de solución del problema. En su tercera parte, el capítulo se dedica al tema del diseño de tuberías en serie haciendo uso de emisores, esenciales para la modelación de sistemas de riego. En su última parte, el capítulo hace una corta descripción, obtenida en Internet, de algunos de los principales programas para la simulación de redes de agua potable: EPANet, WaterCAD v 8iXM, WaterGEMS V8iXM, Pipe 2000, y GISRED 2.0.

Parte 4 • REDES DE RIEGO. El capítulo 10 representa la diferencia más importante con respecto a otros textos existentes en el área de tuberías, ya que cubre aspectos que usualmente son tema de cursos o aun carreras diferentes. Dicho capítulo aborda las redes de riego a presión, incluyendo las redes de sistemas de riego localizado de alta frecuencia. El diseño de este tipo de redes no había sido tratado de forma coherente en un texto de hidráulica, a pesar de que tiene muchos elementos comunes con los sistemas de tuberías abiertas y con las redes de distribución de agua potable. En el capítulo se afianzan estos elementos comunes y, por consiguiente, se utilizan los algoritmos y programas introducidos en los capítulos anteriores en las metodologías de diseño de redes de riego. Sin embargo, los sistemas de riego tienen características propias, especialmente los de riego localizado de alta frecuencia; por esta razón, la parte inicial del capítulo describe las diferentes partes de un sistema de riego y la forma de obtener los caudales de consumo. La metodología de diseño de redes de riego presentada en el capítulo ha sido implementada en el programa RIEGOS. Nuevamente se incluye copia de este programa, en una versión académica, en la página web.

APÉNDICE. PROPIEDADES FÍSICAS DE DIFERENTES FLUIDOS.