Esta invención consiste en la realización de conducciones con sección interior no convencional delimitada por ciertas curvas algebraicas planas de grado superior a 2,

simétricas respecto al eje vertical y que presentan en su parte inferior un apuntamiento acusado respecto a la forma de su parte superior, que permiten conseguir un incremento de la velocidad relativa del flujo respecto a la de secciones como la circular y ovoidal.

El uso de estas conducciones es de utilidad en canalizaciones que presenten problemas de bajas velocidades de flujo sobre todo aquellas redes que deben transportar al mismo tiempo aguas residuales y pluviales, y que por lo tanto deben dimensionarse para un rango de caudales muy amplio, y las redes instaladas en zonas donde la pendiente del terreno es casi nula o incluso negativa (inversa al sentido del flujo).

Elemento tubular de sección interior no convencional que aumenta la velocidad de flujo en canalizaciones de saneamiento y drenaje pluvial.

Sector de la técnica

Ingeniería hidráulica, con aplicación en las ingenierías civil e industrial. Fabricación de tuberías utilizables, por ejemplo, en conducciones de saneamiento y drenaje urbano.

Introducción

El transporte de las aguas residuales y de drenaje pluvial desde su captación en los imbornales y en los puntos de suministro (viviendas, locales comerciales e industrias) hasta su entrega en las estaciones de tratamiento o de vertido se realiza mediante redes ramificadas que confluyen en un número reducido de colectores de cierto tamaño. En ocasiones, algunos de los tramos, o incluso toda la red, presentan problemas de bajas velocidades de flujo, sobre todo aquellas redes que deben transportar al mismo tiempo aguas residuales y pluviales, y que por lo tanto deben dimensionarse para un rango de caudales muy amplio, y las redes instaladas en zonas donde la pendiente del terreno es casi nula o incluso negativa (inversa al sentido del flujo).

En estos casos se utilizan, en lugar de la sección interior circular, otras secciones que a igual pendiente y coeficiente de fricción, favorecen la velocidad del flujo cuando los caudales son pequeños. Una de estas secciones interiores es la sección ovoidal, cuya utilización supone cierto incremento de la velocidad relativa del flujo cuando los caudales que transporta son muy pequeños (del 0,5 al 1 por mil del caudal a sección llena). También se usan secciones interiores con forma de elipse, aunque su utilización generalmente responde a problemas de restricción de espacio para albergar la conducción. Tanto la circunferencia, como el ovoide y la elipse son curvas definidas (a trozos en el caso del ovoide) por polinomios de grado 2, porque los puntos que las forman son ceros de un polinomio p(x,y) de segundo grado.

Esta invención consiste en la realización de conducciones con sección interior no convencional delimitada por ciertas curvas algebraicas planas de grado superior a 2, simétricas respecto al eje vertical y que presentan en su parte inferior un apuntamiento acusado respecto a la forma de su parte superior. Se entiende como apuntamiento acusado a la existencia de un punto singular crunodal o cuspidal de la curva algebraica, o simplemente de una reducción sensible del radio de curvatura en la zona inferior de la misma.

En las conducciones de saneamiento y drenaje pluvial, las características del fluido (agua con materia orgánica y sólidos en suspensión) y la variabilidad de los caudales a transportar condicionan que el flujo se produzca en lámina libre. En efecto, el coste de explotación del bombeo hace que se evite utilizar sistemas de bombeo en las redes de saneamiento y drenaje, con lo que el flujo en general se produce por gravedad, llenando más o menos la sección interior de la conducción según sea mayor o menor el caudal. Además, cuando el flujo se produce en lámina libre, se produce intercambio de oxígeno entre el agua residual y el aire del interior de la conducción, frenando la actividad de los organismos sulforreductores y la producción de sulfuro de hidrógeno, gas tóxico y de olor desagradable. El intercambio de oxígeno se ve favorecido por las turbulencias en la superficie del flujo en contacto con el aire, que se producen en mayor medida cuanto mayor sea la velocidad del flujo.

La velocidad del flujo, determinada usualmente con la expresión de Manning-Strickler, es una variable que condiciona el diseño de las conducciones de saneamiento y aguas pluviales. Por un lado, velocidades del flujo muy bajas permiten la sedimentación sin arrastre de los sólidos en suspensión, que pueden llegar a cegar en parte o incluso en su totalidad la sección interior de la conducción produciéndose el atascamiento o al menos una considerable reducción de su capacidad de transporte. Por otro lado, velocidades excesivamente altas pueden causar la meteorización física de las paredes, favorecida por la presencia de partículas sólidas en suspensión, o incluso la rotura de la conducción en los puntos de cambio de dirección del flujo por no poder soportar las solicitaciones debidas al cambio de cantidad de movimiento.

El caudal a transportar por una conducción de saneamiento y drenaje pluvial puede llegar a variar mucho a lo largo del año o incluso del día. En las redes unitarias, aquellas que transportan tanto las aguas residuales como las captadas por los imbornales de drenaje pluvial, las conducciones tienen que dimensionarse para transportar la suma del caudal máximo previsible de agua de lluvia más el caudal punta de aguas negras. Esto frecuentemente confiere a los colectores principales de dichas redes un gran tamaño, que en los momentos en los que no llueve y el caudal de aguas residuales es mínimo, se traduce en velocidades de flujo muy bajas, sedimentación de sólidos en suspensión y aparición de condiciones anaeróbicas en las que proliferan las bacterias sulforreductoras productoras de sulfuro de hidrógeno.

Estado de la técnica

Las tuberías de saneamiento y drenaje con sección interior en forma de ovoide presentan ventajas sobre las tuberías de sección circular cuando se trata de transportar caudales muy inferiores al caudal a sección llena. En efecto, la velocidad del flujo con esos caudales bajos (del orden del 0,5 por mil o el 1 por mil del caudal a sección llena) es mayor en relación a la velocidad a sección llena en conducciones con sección interior en forma de ovoide que en aquellas con sección interior circular. Las secciones interiores de las conducciones objeto de esta invención presentan, en lo que respecta a la velocidad relativa para caudales mínimos, una ventaja superior respecto a la sección circular que la que presenta la sección ovoidal.

Las secciones interiores de las conducciones de saneamiento y drenaje pluvial adoptan otras formas además de la circular y la ovoide. Una de ellas es la tradicional galería rectangular con techo plano o en bóveda de cañón, incluyendo, o no, una cuna semicircular o triangular en el centro de la solera o junto a uno de los hastiales para caudales mínimos. Otra forma para la sección interior es la forma de elipse, que con perfil exterior octogonal se describe en la patente europea 0508875, de Leblanc y Brocart. La forma en elipse es utilizada fundamentalmente cuando existen restricciones geométricas en la construcción impuestas por la existencia de otras conducciones o instalaciones en el subsuelo.

Otras tuberías de hormigón con sección interior oval son las que propone Buente en la patente US 2261912, con exterior cilíndrico, que tienen como principal ventaja una mayor resistencia a las solicitaciones a flexión longitudinal, como consecuencia del aumento del momento de inercia de la sección sólida.

La alternativa a las conducciones de sección circular más utilizada hasta ahora para mejorar la velocidad del flujo en lámina libre con caudales mínimos es la sección en forma de ovoide u ovoidal. El ovoide no es una curva algebraica, sino una curva cerrada construida con trozos de circunferencia, que a su vez es una curva algebraica de grado 2. El ovoide que se utiliza normalmente en la sección de colectores es el que tiene relación de altura/anchura igual a 3/2, en el que además la relación de radios de curvatura de los polos es 2/1. Con tuberías de sección interior ovoidal se consigue que, cuando el caudal es el 1 por mil del caudal a sección llena, la velocidad relativa (que es independiente de la pendiente de la conducción y de la rugosidad de la misma, supuesta esta última constante en toda la sección interior) sea aproximadamente del 18,5% de la velocidad a sección llena, mientras que en la sección circular es sólo del 15,9% de la velocidad a sección llena. Si el caudal es el 0,5 por mil del caudal a sección llena, la velocidad del flujo en la sección ovoidal es el 14,9% de la velocidad a sección llena, mientras que en la circular es sólo el 12,8%.

Otra sección que se utiliza en conducciones de saneamiento, aunque mucho menos frecuentemente, es la elipse con el eje mayor en vertical. La elipse es una curva algebraica de grado 2 que presenta el mismo apuntamiento en su parte superior que en la inferior.

Breve descripción de la invención

Esta invención consiste en una conducción cuya sección interior es la delimitada por una curva algebraica cerrada y plana de grado tres o mayor como las curvas elípticas (de grado 3), la lemniscata de Bernoulli, la lemniscata de... [Seguir leyendo]

1. Elemento tubular caracterizado por tener sección interior constante delimitada por una curva que sigue sensiblemente, salvo escala, un óvalo cerrado de una curva algebraica plana de grado superior a 2, simétrica respecto al eje vertical y con un apuntamiento sensiblemente acusado en su parte inferior respecto al de su parte superior y preferiblemente convexa para maximizar el radio hidráulico.

2. Elemento tubular caracterizado por tener sección interior constante delimitada por una curva que sigue sensiblemente, salvo escala, el óvalo cerrado de una curva elíptica, esto es, una curva algébrica plana cuya ecuación se puede reducir a una del tipo x² = -y³-py+q con -4p³ >= 27q².

3. Elemento tubular caracterizado por tener sección interior constante delimitada por una curva que sigue sensiblemente, salvo escala, un óvalo cerrado de alguna de las curvas de la familia de las lemniscatas de Broughman-Routh, es decir, una curva algebraica plana cuya ecuación se puede reducir a una del tipo x^m=y^m(n-1)(1-yⁿ) con m y n enteros mayores que 1 y m par.

4. Elemento tubular caracterizado por tener sección interior constante delimitada por una curva que sigue sensiblemente, salvo escala, un óvalo cerrado de alguna de las curvas de la familia de las lemniscatas de Booth, es decir, una curva algebraica plana cuya ecuación se puede reducir a una del tipo (x²+y²)²+4x² = 4c(x²+y²) con c mayor que 0 y menor que 1.

5. Elemento tubular caracterizado por tener sección interior constante delimitada por una curva que sigue sensiblemente, salvo escala, uno de los óvalos de la lemniscata de Huygens, curva algebraica plana de ecuación reducible a x² = y²-y⁴ .

6. Elemento tubular caracterizado por tener sección interior constante delimitada por una curva que sigue sensiblemente, salvo escala, uno de los óvalos de la lemniscata de Bernoulli, curva algebraica plana de ecuación reducible a (x²+y²)² = 2(y²-x²).

7. Conducción de sección según las reivindicaciones anteriores, y que se caracteriza por tener dos nervios en forma de planos verticales en dirección longitudinal y de espesor similar al de la pared de la tubería que unen las paredes laterales de la misma con los extremos de la base (Figura 5), que compensan la concentración de esfuerzos en la parte más apuntada de la sección transversal del tubo y cierran los huecos o riñones susceptibles de albergar material de relleno mal compactado en caso de instalación subterránea. El espacio generado por los nervios puede transportar fluidos o albergar otras instalaciones.