Good afternoon @StemSocial and the Hive community in general.
We have now concluded the hydraulic calculation. To do this, we once again relied on WaterGEMS software, which specializes in pressurized pipe systems under steady-state conditions.
For the hydraulic simulation, we first imported the topography as a background map into the software. This takes advantage of the tool's ability to import images, CAD, DXF, ESRI files, and others. From there, guided by the symbology, we traced the main pipeline from the supply source to the elevated/ground tank at the farm.
Once the pipe route was drawn, we assigned elevations to the nodes automatically by importing them directly from the CAD file using WaterGEMS' TREX tool. This is a feature that truly sets this software apart. In fact, over 20 years ago when AI was barely spoken about WaterGEMS/CAD was already using artificial intelligence methods, specifically genetic algorithms, to find the optimal pipe diameter in network systems. Something exceptional that made me fall in love with this software from the moment I started using it.
Image #1. General view for the calculation.
Designing the main pipeline upfront means finding the pipe diameter that satisfies the velocity constraints in our case, it must remain between 0.3 and 3 m/s. Additionally, it means determining the characteristics of the water pump required to push the flow rate from the supply source to the tank roughly 2.7 km away, overcoming both the elevation difference and pressure head losses.
Image #2. Successful execution of the calculation.
Hydraulic theory states that the pumping head HB = HE + HD, where these correspond to the parameters explained above respectively. Pressure losses due to friction are determined using the Hazen-Williams equation.
Meanwhile, to calculate the diameter, the continuity equation is used:
Q = A * V
Where V is a fixed velocity in m/s based on the restrictions mentioned earlier, and Q is the discharge flow rate derived from total demand in L/s. From there, we solve for the cross-sectional area, A = PI*r^2.
Image #3. Table with Flow Rate and Velocity results in the pipes.
Image #4. Table with Pressure results at the nodes.
Of course, these calculations are no longer done manually; the purpose of using the software is precisely to perform them with greater speed and accuracy.
To obtain the flow rate, it was necessary to first perform a water balance, which we present below as an image with a table:
Image #5. Hydraulic water consumption balance.
Taking into account the project requirement not to extend the pumping time beyond 10 hours per day, this figure was used as the starting point to determine the required flow rate for the pumping station.
In our case, the operating equipment will deliver 8.6 L/s through the main pipeline to the tank. In 8 hours, it will supply the total daily demand (247.2 m^3). Pumping for an additional 2 hours will accumulate storage in the tank, ultimately pumping a total of 309.6 m^3 over 10 hours of which 247.2 m^3 is consumed and 62.4 m^3 is stored as backup.
This way, in 12.1 days, the tank will reach its full water reserve capacity. This allows the main pumping unit to pause operation twice a month, during which the backup pump will be run to keep it active and allow maintenance on the primary unit.
To keep this post from getting too long, here are the main conclusions from the hydraulic calculation:
The discharge pipeline (which will carry water from the Pumping Stations to the existing ground tank near the swine farm) will be made of HDPE, with an outer diameter of 110 mm and nominal pressure ratings of PN-10, PN-8, and PN-10, tailored to the pressure variations along different segments.
It will have a maximum length of 2735 m. It will connect to a section of pipe coming from the floating pumping station and enter the tank through its cover without disrupting the current system.
For a flow rate of 8.6 L/s, fluid velocities will vary between 1.17, 1.11, and 1.06 m/s, accounting for changes in internal diameter due to the different PN ratings of the pipe.
The images are my original work, captured during the calculation process in WaterGEMS.
That wraps up this part of the project! Thank you for your attention.
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Buenas tardes @StemSocial y Hive en general.
Ya hemos concluido con el cálculo hidráulico. Para ello, nos hemos auxiliado una vez más del software WaterGems especializado en conducciones forzadas en régimen permanente.
Para la simulación hidráulica, en primer lugar, hemos importado al software la topografía como mapa de fondo. Ello, aprovechando la ventaja de esta herramienta para importar imágenes, archivos CAD, DXF, ESRI y otros. A partir de aquí y guiándonos por la simbología, trazamos la conductora desde la fuente de abasto hasta el tanque apoyado en la granja.
Una vez trazada la tubería, utilizando las curvas de nivel mediante la herramienta TREX del WaterGems, le dimos cota a los nudos automáticamente importando las elevaciones del propio archivo CAD. Algo que distingue a este software de otros. Incluso, hace más de 20 años cuando apenas se hablaba de IA, ya el WaterGems/CAD utilizaba métodos de inteligencia artificial para encontrar el diámetro óptimo en redes de tuberías, basándose en el método de los algoritmos genéticos. Algo excepcional y que me enamoró de este software desde que lo empecé a utilizar.
Imagen #1. Vista general para el cálculo.
Diseñar la conductora a priori, significa encontrar el diámetro de la tubería para el cual se cumplen las restricciones de velocidad: en nuestro caso debe estar entre 0.3 y 3 m/s. Además, encontrar las características de la bomba de agua que sea capaz de impulsar el caudal desde la fuente de abasto hasta el tanque a unos 2,7 km, o sea venciendo la diferencia de nivel y las pérdidas de carga a presión.
Imagen #2. Ejecución exitosa del cálculo.
La teoría hidráulica plantea que esa carga de bombeo HB = HE + HD, siendo estos los parámetros explicados anteriormente en orden consecutivo. Las pérdidas de presión por fricción, se determinan con el empleo de la ecuación de William-Hazen.
Mientras para calcular el diámetro se utiliza la ecuación de continuidad:
Q = A * V
Siendo V una velocidad fijada en m/s, partiendo de las restricciones que antes expusimos, Q el caudal que sale de la demanda total en L/s. De ahí se despeja el área que es PI * Radio(2)
Imagen # 3. Tabla con resultados de Caudal y velocidad en las tuberías.
Imagen # 4. Tabla con resultados de presión en los nodos.
Por supuesto, ya estos cálculos no se hacen de forma manual, sino que el propósito de utilizar el software es precisamente realizarlo con mayor rapidez y exactitud.
Para obtener el Caudal fue necesario a priori realizar el balance de agua que les exponemos en forma de imagen con tabla:
Imagen # 5. Balance hidráulico de consumo de agua.
Teniendo en cuenta la solicitud por parte de la inversión de no extender el tiempo de bombeo a más de diez horas diarias, se tomó este dato como punto de partida para determinar el caudal que debe suministrar la estación de bombeo.
Para nuestro caso, el equipo de trabajo inyectará 8.6 L/s a través de la conductora hacia el tanque y en 8 horas se habrá suministrado la demanda total del día (247.2 m3). Además se bombearán dos horas adicionales para ir acumulando reserva en el tanque para finalmente bombear en 10 horas un total de 309,6 m3, del cual se consumen 247.2 m3 y se acumulan 62.4 m3 como reserva en el tanque.
Así en 12.1 días el tanque recibirá el total de reserva de agua, de modo que el equipo de bombeo de trabajo podrá dejar de bombear dos veces al mes y en esos dos días se empleará entonces el equipo de reserva para mantenerlo de esta forma activo, además que permitirá realizar mantenimiento al primero.
Para no hacer tan extenso este post, a modo de resultado del cálculo hidráulico concluimos que:
*La tubería de Impulsión, que conducirá el agua desde las Estaciones de Bombeo, hasta el tanque apoyado existente en la inmediatez del porcino, será de PEAD con un diámetro exterior de 110 mm y presión nominal de trabajo de PN-10, PN-8 y PN-10 teniendo en cuenta la diferencia de presiones a la que estará sometida en los diferentes tramos.
*Tendrá una longitud máxima de 2735 m. Se empalmará a un tramo de tubería que proviene desde la estación de bombeo flotante y entrará al tanque por su cubierta pero sin afectar el sistema actual.
*Para el caudal de 8.6 L/s tendrá velocidades variables entre 1.17, 1.11 y 1.06 L/s teniendo en cuenta la variación del diámetro interior por la variación del PN de la tubería.
Las imágenes son de mi total autoría, siendo tomadas durante el propio proceso de cálculo con el WaterGems.
Hasta aquí la exposición de esta parte del proyecto. Gracias por su atención.
