Diseño de sifón hidráulico

DISEÑO DE SIFÓN HIDRÁULICO PARA UN SISTEMA PILOTO DE
HUMEDALES HIBRIDOS COMO POST-TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES DE UNA PORCÍCOLA
DIEGO FERNANDO ZUBIETA ZULUAGA
UNIVERSIDAD LIBRE SECCIONAL PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA CIVIL
PEREIRA
2013

DISEÑO DE SIFÓN HIDRÁULICO PARA UN SISTEMA PILOTO DE
HUMEDALES HIBRIDOS COMO POST-TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES DE UNA PORCÍCOLA
DIEGO FERNANDO ZUBIETA ZULUAGA
Trabajo de grado como requisito para optar por el título de Ingeniero Civil
Director
Danilo Flórez Guarín
Ingeniero Civil
UNIVERSIDAD LIBRE SECCIONAL PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA CIVIL
PEREIRA
2013

A Dios, a mis padres y amigos que hicieron posible
que se realizara este trabajo.

AGRADECIMIENTOS
A Dios por siempre guiarme con su palabra, a mis padres por brindarme la
oportunidad de estudiar ésta carrera y tener la paciencia para sobrellevar con
preocupación pero siempre con confianza, mis jornadas de estudio. A mis amigos
que estuvieron acompañándome en todo el proceso. Al profesor Danilo Flórez
Guarín por bridarme su apoyo en la elaboración del proyecto. A los ingenieros
Carlos Andrés Sanz, Lorena Restrepo, y todo el equipo de trabajo del proyecto
sistema piloto de humedales como post-tratamiento de aguas residuales en la
porcícola el cortijo de la Universidad Tecnológica de Pereira, por hacerme
participe del mismo.
Agradecer, además, a los profesores: José Arboleda, José Gilberto López,
Fernando Pineda Arboleda y Adán Silvestre quienes en el día a día con sus
enseñanzas forjaron en mi más convicción y respeto por la ingeniería.

CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 14
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 17
2. JUSTIFICACIÓN 20
3. OBJETIVOS 21
3.1 OBJETIVO GENERAL 21
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 21
4. MARCO REFERENCIAL 22
4.1 MARCO HISTÓRICO 22
4.1.1 Aplicación hidráulica en el México Prehistórico 23
4.1.2 Sifones en los acueductos romanos 24
4.1.3 Patrón de poblamiento de algunas sociedades
precolombinas marcado por el uso de la hidráulica 25
4.2 MARCO CONCEPTUAL 29
4.3 MARCO TEÓRICO 35
4.3.1 Teorema de Bernoulli 35
4.3.2 Cavitación 40
4.3.3 Ecuación de continuidad 41

pág.
5. MARCO METODOLÓGICO 43
5.1 Condiciones de operación del sifón y medición del tanque. 43
5.2 Aforo de caudales para verificar tiempos 47
5.3 Selección de la manguera que servirá como sifón hidráulico
mediante pruebas de ensayo y error 55
5.4 Medición de la velocidad de salida V2 56
5.5 Medición la densidad del agua residual 57
5.6 Medición de la presión de vacío 58
6. CONCLUSIONES 63
7. RECOMENDACIONES 64
BIBLIOGRAFÍA 65

LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Caudal y temperatura entrada del tanque. 19/03/2010 48
Tabla 4. .Caudal y temperatura entrada del tanque. 15/04/2010 50
Tabla 5. Caudal y temperatura salida del tanque. 01/05//2010 50
Tabla 6. Caudal y temperatura salida del tanque. 01/04/2010 51
Tabla 7. Caudal y temperatura salida del tanque. 15//04/2010 51
Tabla 8. Caudal y temperatura salida del tanque. 01/05/2010 52

LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Sedimentador y sistema piloto de humedales 18
Figura 2. Maqueta del poblado Marusa. 26
Figura 3. Principales fuentes de aguas residuales municipales 29
Figura 4. Humedal construido en la Granja El Cortijo 32
Figura 5. Tanque de carga con válvula de flotador 34
Figura 6. Tanque de carga con manguera dentro en forma de U invertida 35
Figura 7. Puntos entrada 1 y salida 2 que muestran la diferencia de nivel que
permitió el funcionamiento del sifón. 37
Figura 8.Posición de la manguera dentro del tanque de carga con las
respectivas alturas que permiten el sifonamiento. 40
Figura 10. Tanque de dilución 45
Figura 11. Vista en planta del tanque de carga 47
Figura 12. Primera manguera ensayada, diámetro de dos pulgadas 53
Figura 13. Segunda manguera ensayada, diámetro de 1 pulgada y media 54
Figura 14. Tercera manguera, diámetro de 1 pulgada 54
Figura 15.Tanque de carga con sifón. Prueba de funcionamiento 2 55

Figura 16. Ubicación del punto (2), para el cual se determina la V2 56
Figura 17. Ubicación del punto donde se genera el vacío 58
Figura. 18. Sedimentador de partículas 61
Figura. 19. Isometría del tanque de carga con manguera 62

LISTA DE ECUACIONES
Pág.
Ecuación 1. Ecuación de Bernoulli 38
Ecuación 2. Ecuación para P2 bajo las condiciones del sifón 39
Ecuación 3. Número de cavitación 41
Ecuación 4. Ecuación de continuidad 41
Ecuación 5. Ecuación para el área de la manguera 42
Ecuación 6. Ecuación para velocidad en 2. Despeje de E. de Bernoulli 42
Ecuación 7. Volumen del flujo de fluido dentro del tanque de carga 46
Ecuación 8. Densidad del agua residual problema 57

GLOSARIO
AFORO: el aforo de una corriente de agua es la medida del caudal circulante que
pasa por una sección en un momento determinado.1
.
AGUAS RESIDUALES: fundamentalmente son aguas de abastecimiento público
que luego de sus diversos usos, han sido poluídas o contaminadas. Desde el
punto de vista de su origen el agua residual puede ser: Doméstica o sanitaria.
Proveniente de lavaderos de ropa, de aparatos sanitarios, desperdicios de cocina,
etc. Industrial, la cual normalmente contiene agentes químicos que deterioran las
características físicas del cuerpo receptor y aportan sustancias tóxicas que
aunque estén presentes en pequeñas cantidades desequilibran los ecosistemas
acuáticos y terrestres adyacentes. Y de origen pluvial, de precipitaciones
atmosféricas y del lavado de calles2
.
CAUDAL: cantidad de fluido que pasa por sección en unidad de tiempo
determinada3
.
1
TRILLO MONTSORIU, Juan De Dios. Colaborador: METCALF & EDDY. Ingeniería de aguas
residuales: Redes de alcantarillado y bombeo. Editorial McGraw-Hill. Ed. 2. 1995. p. 33
2
METCALF & EDDY INC. Wastewater Engineering: Collection, treatment, disposal. Editorial labor.
Barcelona. 1997. p. 50-72.
3
TRILLO, Op. Cit., p.34.

SEDIMENTADOR O DECANTADOR: dispositivo usado para separar, por
gravedad, las partículas en suspensión en una masa de agua4
.
SEDIMENTOS: partículas en suspensión en una masa de agua5
.
SIFÓN: tubo en forma de "n" con uno de sus extremos sumergidos en un líquido,
que asciende por el tubo a mayor altura que su superficie o hasta ella,
desaguando por el otro extremo. Para que el sifón funcione debe estar lleno de
líquido, ya que el peso del líquido en la rama del desagüe es la fuerza que eleva el
fluido en la otra rama6
.
4
ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD. Guía para el diseño de desarenadores y
sedimentadores.[Enlínea]<http://www.bvsde.opsoms.org/bvsacg/guialcalde/2sas/d23/035_dise%C3
%B1o%20de%20desarenadores%20y%20sedimentadores/Dise%C3%B1o%20de%20desarenador
es%20y%20sedimentadores.pdf>> [ Accesado el 22 de Mayo de 2012]
5
sedimentadores.[Enlínea]<http://www.bvsde.opsoms.org/bvsacg/guialcalde/2sas/d23/035_dise%C3
es%20y%20sedimentadores.pdf>> [ Accesado el 22 de Mayo de 2012]
6
HALL, F. Sistemas de suministros de agua fría, desagüe e instalaciones sanitarias. Limusa
Noriega editores S.A. 1998.116-117

RESUMEN
La salud pública y el medio ambiente son temas de vital importancia que
involucran el agua potable como uno de los elementos esenciales en la salud de
una población. Para proteger la salud pública, es preciso que las aguas residuales
que se vierten en un cuerpo receptor natural reciban un tratamiento previo para
disminuir su contaminación, y por consiguiente, evitar enfermedades a las
personas que entren en contacto con éstas.
Motivados por lo anterior, la Universidad Tecnológica de Pereira, en convenio con
otras entidades, plantean el estudio de la descontaminación de aguas residuales
provenientes de una porcícola mediante humedales híbridos, ya que éstos han
mostrado altos niveles de eficiencia en la descontaminación de las aguas filtrando
sus contaminantes en plantas sembradas en los anteriores mencionados. Los
niveles de eficiencia alcanzados en su momento, fueron buenos, pero se
demandaba un resultado aún mejor; es así como surge la necesidad de integrar al
sistema de post-tratamiento, y es el enfoque de éste trabajo de grado, un sifón
hidráulico automático.
El funcionamiento del sifón se da por gravedad, y está realizado con una
manguera en forma de “n” que permite una descarga intermitente y controlada del
agua residual que va a ser conducida a los humedales híbridos.
El trabajo realizado en conjunto por todos los componentes: humedales, sistema
de post-tratamiento y sifón; ayuda a descontaminar eficientemente el agua
residual de la porcícola y tener un ambiente más limpio.

14
INTRODUCCIÓN
La contaminación del agua es uno de los problemas ambientales que más
preocupa y afecta a la sociedad, debido a que ésta es indispensable para el
equilibrio de los ecosistemas y la salud pública. Dada la necesidad de proteger la
Salud Pública y el Medio Ambiente, es preciso reducir la contaminación de las
aguas residuales que van a verterse a un cuerpo de agua natural (mar, río, lago)
mediante un previo tratamiento y antes de ser conducidas a éstos, para evitar
enfermedades causadas por bacterias y virus en las personas que entran en
contacto con las aguas7
. La sociedad busca nuevas maneras, que sean más
propicias, en cuanto a costos de operación en el tratamiento y remoción de
partículas contaminantes, y una de ellas resulta siendo los humedales
construidos8
; éstos han mostrado altos niveles de eficiencia en remoción de
materia orgánica y nutrientes; pero para el caso de éste trabajo la eficiencia
(después de realizadas varias pruebas de descontaminación en laboratorio) no era
suficiente y se requirió de mayor precisión.
La evaluación de la eficiencia en remoción de partículas se realizó por intermedio
de estudiantes de maestría en eco-tecnología y tecnología química de la
Universidad Tecnológica de Pereira, mediante dos sistemas híbridos
(convencional y modificado) con aguas afluentes de un biodigestor en la granja
porcícola El Cortijo (Santa Rosa de Cabal) El resultado fue bueno, pero en aquel
7
sedimentadores.[EnlÍnea]<http://www.bvsde.opsoms.org/bvsacg/guialcalde/2sas/d23/035_dise%C3
es%20y%20sedimentadores.pdf>> [Accesado el 22 de Mayo de 2012]
8
STEEL, Ernest W. y MACGHEE, Terence J. Abastecimiento de Agua y Alcantarillado. Ed.
Gustavo Gili. Ed.5. Barcelona. 1981.p.15

15
momento no era el esperado. Lo que se concluyó fue que los niveles de
descontaminación, aún debían ser mejores para poder estar acordes con la
legislación medioambiental en Colombia. Se precisó, que el desenlace de estas
pruebas fue una incidencia en la metodología de los ensayos. Para mejorar el
resultado, se hizo necesario agregar un sifón hidráulico automático para el post-
tratamiento de las aguas residuales al circuito que transporta el agua residual
hasta los humedales, en el sistema.
Con la motivación de entregar una solución basada en usos anteriores, referentes
al uso del sifón como elemento para volúmenes de control, se puede decir que los
sifones han sido utilizados desde hace mucho tiempo especialmente como
facilitadores del transporte de agua de una altura a otra; igualmente para la
inundación de terrenos para cultivos. Se pudieron ver en la antigua Roma, en
Grecia, en Alejandría, entre otros. Posteriormente diferentes científicos trataron el
tema; en el renacimiento: Leonardo Da-Vinci. Más adelante, Henry Darcy, William
Weichbach, Manning, Bernoulli, entre otros; utilizaron conocimientos matemáticos
más modernos para su época y los aplicaron a la hidráulica generando distintas
ecuaciones que permitían calcular volúmenes de control intermitentes más
precisos que desde entonces y hasta el día de hoy se utilizan de igual forma, por
ejemplo: en desagües de casas, apartamentos, industrias, etc.
Después de todo el conocimiento generado por todos los científicos citados se
tuvieron bases para empezar a aplicar todos estos conocimientos en muchas más
disciplinas: química, física, ingenierías, ciencias de conservación del medio
ambiente, entre otras. Para las ciencias del medio ambiente son muchas sus
aplicaciones, pero especialmente con un enfoque para este proyecto se menciona
la descarga de tanques, utilizados para el estudio de las propiedades físicas de
los fluidos contaminados para compararlos y generar métodos para su
descontaminación como por medio de humedales híbridos construidos (con todos

16
los elementos correspondientes a un sistema de post-tratamiento de aguas
residuales) Entre estos elementos se incluyó un sifón hidráulico automático
realizado en diferentes etapas que a su vez incluyen diversas acciones:
recolección de la teoría respecto al sifón, medición del tanque de carga y aforo
de caudales para determinar las condiciones que tuvo el dispositivo; cálculos
matemáticos para ajustar el diseño a las especificaciones requeridas; dibujos de
esquemas del sifón; creación del documento con información de apuntes de clase,
libros, tutorías, consultas con profesionales especialistas en el tema y sitios de
internet.

17
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
El proyecto consiste en el diseño de un sistema de tratamiento de aguas
residuales para una industria porcícola. Este sistema de tratamiento tiene dos
componentes, uno de procesos unitarios y otro el funcionamiento hidráulico del
sistema, el primer componente fue desarrollado por los estudiantes Carlos Sabas
y Lorena Restrepo, aplicando conocimientos adquiridos en sus formaciones como
ingenieros ambientales y estudios de Eco-tecnología. El segundo componente
plantea dentro de su funcionamiento un sifón hidráulico automático que permite
irrigar el sistema de post-tratamiento de aguas residuales, con descargas
constantes y durante periodos fijos, ya que apreciables variaciones de caudal
producen alteración en los procesos químicos y biológicos en la planta.
Se necesita descargar, desde un tanque de carga existente en la granja y hacia
dos humedales, 0.300 m3
de agua residual mezclada con agua en condiciones
normales. Esta irrigación debe hacerse cada 60 minutos, iniciando a las 7:00 a.m.
y culminando a las 5:00 p.m. de 10 horas y media aproximadamente, de lunes a
viernes.
Este problema puede resolverse de diversas formas:
Utilizando equipos mecánicos como una motobomba o generando la descarga por
medio de un sistema de tornillo sinfín.
Y, utilizando un sistema hidráulico que evite el uso de fuentes de energía externa y
se sirva de la propia energía del agua.
En acuerdo con los ingenieros encargados de los procesos y el propietario de la
planta de tratamiento, se convino en utilizar un sistema de sifón hidráulico para
economizar costos y para mejorar el proceso investigativo.

18
A continuación se describen la ubicación, circuito lineal y características del medio
que influyeron en la incidencia presentada para entender la problemática. El
circuito que recorre el agua residual sobre el cual se centra el proyecto va desde el
tanque de carga hasta los humedales como se representa en la figura 1.
Figura 1. Esquema con sedimentador y sistema piloto de humedales
Fuente. El autor
Cada día de trabajo tiene una duración de diez horas (en realidad son 10 horas y
media, debido a que la media hora restante la utiliza el operario para cerrar
válvulas y verificar que todo esté bien, se utilizará 10 horas como referencia ) En la
granja se trabaja de lunes a viernes.

19
El agua residual fluye por el sistema para ser llevada a los humedales. Primero
pasa desde un tanque de acumulación hacia un tanque de dilución de 1 m3
, allí el
agua residual es mezclada con agua limpia para hacer el fluido menos denso. A
continuación el agua pasa por tres canecas con grava las cuales eliminan
sedimentos para hacer el agua más limpia, el siguiente paso del agua es hacia un
sedimentador de partículas con láminas paralelas en acrílico que limpian aún más
el agua y la dejan en condiciones ideales, y, posteriormente desde el tanque de
carga (ver figura 1) se necesitó evacuar un volumen de 300 litros, para poder
cumplir con los objetivos planteados en el estudio titulado “Evaluación de un
Sistema piloto de humedales híbridos como pos tratamiento de aguas residuales
de una Porcícola” realizado por la Universidad Tecnológica de Pereira.
Las válvulas 4.2 y 4.3 mostradas en la figura 1, permiten alimentar los humedales.
Estas se manipularon con la ayuda de un trabajador de la Granja Porcícola, quien
las abrió y cerró cada hora, en la jornada mencionada anteriormente.
Para evitar incidencias de operación y mejorar los resultados de estudio; se
adaptó en el tercer tanque del sedimentador o tanque de carga, ya construido, un
sifón hidráulico automático. Esto se hizo con el fin de reducir costos y utilizar en
forma óptima los espacios presentes
Se aclara también que la ingeniera ambiental Lorena Restrepo, quien hace parte
del proyecto en la porcícola, señala que es requerido un volumen de desalojo de
300 litros de manera intermitente y con un intervalo de tiempo entre 3600s y
3800s s para una jornada de diez horas, de lunes a viernes.

20
2. JUSTIFICACIÓN
Para equilibrar el recurso hídrico y proteger el entorno, se creó la necesidad de
brindarle más importancia a los efectos ambientales que se derivan de los
sectores productivos, ya que éstos son contaminadores. La actividad porcícola es
uno de estos sectores, en el que se desea mejorar el sistema de tratamiento de
aguas residuales por medio de humedales híbridos.
Los humedales híbridos son apropiados para disminuir la contaminación
producida por aguas residuales ya que cuentan con un medio filtrante y plantas
que realizan todo el proceso físico químico de una manera natural y con costos
que suelen ser mucho menores que una planta de tratamiento de aguas
convencional.
Este trabajo, además, permitió mejorar la eficacia de operación, para la apertura
de válvulas de paso hacia los humedales de modo que el operario, sólo las
manipulara dos veces y no diez como en principio.

21
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sifón hidráulico automático para un sistema piloto de humedales
híbridos como post-tratamiento de aguas residuales de una porcícola.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Aplicar la información teórica y conceptual, vistas en la carrera, referente a:
las ecuaciones de Bernoulli, continuidad e información acerca del
tratamiento de las aguas residuales.
• Tomar medidas al tanque donde quedó instalado el sifón hidráulico
automático.
• Aforar caudales para verificar tiempos de carga y descarga al tanque.
• Escoger, mediante pruebas de ensayo y error (evacuando el flujo de fluido
del tanque), un diámetro de manguera para usarse como sifón (empezando
con una manguera de 2 pulgadas, y menores) dentro del tanque de carga
para el sistema de post-tratamiento de aguas residuales.
• Medir la densidad del agua residual y la presión en el punto 2.
• Calcular la velocidad de salida del agua del tanque de carga.

22
4. MARCO REFERENCIAL
4.1 MARCO HISTÓRICO
Desde la antigüedad se tiene conocimiento del uso de la hidráulica por parte del
hombre para la solución de problemas de sus labores diarias, como lo eran el
riego de cultivos, el abastecimiento de agua, la colección de aguas negras, entre
otras9
.
En la antigua Mesopotamia tenían canales de riego para los cultivos sembrados
entre los ríos Tigris y Éufrates. En babilonia tenían colectores de aguas negras,
hacia el año 3750 A.C. Tiempo después, en Egipto también se construyeron
significativas obras para el riego de los cultivos, hacia el año 2500 A.C. Cuando
transcurrió la XII dinastía Egipcia se construyó el lago artificial de Méris con el
objetivo de regularizar las Aguas del río Nilo. Más adelante, hacia el año 370 A.C,
lo romanos construyeron excelentes acueductos en diferentes lugares del mundo.
Posteriormente, dado los problemas encontrados hacia el siglo XVI en los
proyectos de fuentes de aguas monumentales, la atención de los filósofos de
aquella época se centró en el estudio de su posible solución. Fue entonces
cuando Leonado Da Vinci sintió la necesidad de estudiar en esta área, empezando
a formarse la base para la nueva rama científica. Otros contribuyentes fueron:
9
DE AZEVEDO NETTO, J.M y ACOSTA ÁLVAREZ, Guillermo. NOCIONES GENERALES. LA
HIDRÁULICA Y SU EVOLUCIÓN. En: Manual de hidráulica. 6 ed. Bogotá: HARPER & ROW
LATINOAMERICA, 1976. p.1.

23
Galileo, Torricelli y Bernoulli. Euler estableció las primeras ecuaciones generales
para el movimiento de Fluidos.10
La asociación de la hidrodinámica teórica y de la hidráulica empírica constituyó la
mecánica de fluidos, y dicho vínculo se debe principalmente a la hidrodinámica.
La hidráulica siempre formó un área fértil para las investigaciones y análisis
matemáticos, resultando en estudios teóricos que frecuentemente se apartaban
de los resultados experimentales. Muchas de las ecuaciones así deducidas se
corrigieron por coeficientes prácticos. Distintos físicos de la Escuela Italiana se
hicieron famosos por sus investigaciones experimentales, se puede citar a Bidone,
Venturi, entre otros. A partir del siglo XIX, con el desarrollo de los tubos de hierro
fundido, el crecimiento de las ciudades y como consecuencia la importancia de los
servicios de abastecimiento de agua, la hidráulica tuvo una escalada rápida y
marcada. Ese progreso estuvo basado en los trabajos de Rayleigh, las
investigaciones de Reynolds y los experimentos de Froude. Cabe mencionar que
las centrales de energía hidráulica se empezaron a construir a finales del siglo
XIX11
.
4.1.1 Aplicación hidráulica en el México Prehistórico.
El valle de Tehuacán al sur de México, contó con una red de canales que fue el
más grande los sistemas de gestión hidráulica prehistórica en el nuevo mundo.
Los canales tenían más de 1200 kilómetros de longitud y suministraban agua a
más de 330 kilómetros cuadrados de tierras que se podían cultivar, todo esto hace
10
Ibíd., p.2
11
Ibíd., p.3.

24
más de 2500 años. Cada uno de los canales obtenía el agua proveniente de un
punto situado más elevado y conducía el agua hasta terrenos más abajo, siempre
manteniendo una pendiente de dos grados o menos. El agua regaba los campos
que estaban sembrados con maíz, pimientos y tomates12
.
4.1.2 Sifones en los acueductos romanos.
Los sistemas de acueductos romanos suministraban millones de litros de agua a
las principales ciudades del imperio, atravesando kilómetros de todo su territorio.
Para trazar un acueducto que salvara un valle los romanos utilizaron el sifón, que
llevaba el agua en caída brusca por una ladera del valle y en subida empinada por
po la otra ladera. Esto ocurría por el principio según el cual el agua dentro de una
tubería siempre asciende hasta su altura original.
El sifón es un tubo que transporta un líquido desde un nivel hasta otro sobre una
elevación intermedia, siguiendo un recorrido similar a la letra n. Éste comienza
ascendiendo impulsado por una fuerza externa, y por la presión atmosférica de la
superficie del estanque que mantiene el líquido en movimiento.
La estructura romana se denominará sifón invertido, a través del cual el líquido
recorre un trazado en forma de U y empieza a actuar cuando el fluido penetra en
un brazo de la letra entrando por un extremo de la U y subía hasta el otro extremo.
Debido a la resistencia impuesta por las tuberías, el extremo receptor tenía que
estar situado más abajo que el extremo de inicio.
12
CARAN, S. Ch. y NEELY, James E. Ingeniería hidráulica en el México Prehistórico. En:
Investigación y Ciencia. Diciembre de 2006. No. 363. p.22

25
4.1.3 Patrón de poblamiento de algunas sociedades precolombinas marcado
por el uso de la hidráulica.
El poblamiento del litoral Caribe colombiano se inició hace más de 12 mil años.
Hace 6 mil años los habitantes de la región moldearon la que hasta ahora es la
más antigua cerámica conocida de las Américas y combinaban la explotación de la
pesca y la caza con la agricultura intensiva de tubérculos13
.
De acuerdo con los registros arqueológicos hacia el año 2000 A.C surgió en la
zona una sociedad hidráulica que construyó un sistema de canales de drenaje,
que controló las inundaciones y adecuó extensas zonas para las viviendas y
especialmente para los cultivos. Esta civilización perduró hasta el siglo XII. La gran
magnitud del sistema de drenaje indica que en tiempos prehispánicos la región se
hallaba sometida al flagelo de las inundaciones. Su construcción estuvo
encaminada a encauzar el exceso de aguas, de modo que fluyera dejando en sus
orillas los detritos que fertilizaron la tierra de cultivo. Sin el manejo del agua
mediante canales no habría sido posible el establecimiento de una sociedad. Y, a
su vez, sólo un grupo social impulsado por su aumento poblacional se decidió a
dominar un medio sometido a inundaciones y sequías periódicas14
.
13
CLEMENCIA PLAZAS, Ana María, et al. La sociedad hidráulica zenú. Estudio Arqueológico de
2000 años de historia en las llanuras del Caribe Colombiano. Bogotá. Banco de la República.1993.I
SBN 958 9028 92 6.p 51
14
Ibíd., p.53-59.

26
Figura 2. Maqueta del poblado Marusa donde se observan las plataformas de vivienda
alineadas sobre las márgenes de canales artificiales de intercomunicación.
Fuente. CLEMENCIA, Ana M., SÁENZ, Juanita y ARCHILA, Sonia. La sociedad hidráulica
zenú. Estudio Arqueológico de 2000 años de historia en las llanuras del Caribe Colombiano.
Banco de la República Departamento Editorial. Santafé de Bogotá .1993. p. 59.
Mucho tiempo después y en otras latitudes Osbourne Reynolds de la Universidad
de Cambridge, Inglaterra, realizó los primeros experimentos para clasificar los
tipos de flujos en laminar y turbulento, de allí nace lo que hoy se conoce como el
número de Reynolds, que no es más que la relación entre las fuerzas de inercia
a
m
F .
= y las fuerzas viscosas
dy
dv
A
F .
.µ
= 15
Para el cálculo del flujo en tuberías, se utiliza la ecuación de resistencia fluida
conocida como la ecuación de Darcy-Weisbach, la cual es el resultado de aplicar
las leyes de la física del movimiento de Newton. Henry Darcy (1803-1858) realizó
sus experimentos en Chaillot cerca de París desde el 3 de agosto de 1849 al 27
15
SALDARRIAGA, Juan G. Introducción a la hidráulica de tuberías. . En: hidráulica de tuberías. Ed.
3. Bogotá. McGraw-Hill Interamericana.1998. p.1-2. (Ésta ecuación se refiere a las fuerza
requerida para deslizar una capa de área unitaria de una sustancia sobre otra capa de la misma
sustancia)

27
de octubre de 1850 en la época en que era ingeniero jefe del Servicio Municipal de
París16
.
Al combinar los resultados de la experimentación de Darcy y de Julius-Weisbach
(1806-1871) de origen Alemán, sin que entre ellos existiera ningún tipo de
relación, se llega a la ecuación más general para el cálculo de la resistencia fluida
en tuberías17
.
La ecuación es:
g
V
D
L
fo
hf
2
2
×
×
=
Si a esta ecuación, se le realiza el análisis dimensional, se obtiene que el
resultado de las pérdidas ( hf ) se expresa en metros como debe ser realmente,
esto se cumple, debido a que la ecuación es físicamente basada, es decir, es una
expresión matemáticamente demostrable, lo cual no sucede con una gran
cantidad de expresiones de la hidráulica que al ser producto de experimentos
realizados en laboratorio, no permiten la realización del análisis dimensional,
ejemplo el flujo a través de vertederos
y
v
d
d
A
F ×
= µ , que cuando se utiliza, hay
que ser muy cuidadoso fijando el sistema de unidades en el que se esté
trabajando, con el fin de obtener los resultados de F en las unidades correctas18
.
Todos los términos de la ecuación, son fácilmente deducibles, a excepción del
término fo (factor de fricción) el cual tardaron más de 100 años los
16
Ibíd., p.41.
17
Ibíd., p.42.
18
Ibíd., p.18.

28
investigadores para determinar que fo dependía del régimen de flujo y de la
rugosidad del material. Variables que al ser combinadas arrojan seis posibilidades
de cálculo19
:
- Flujo laminar hidráulicamente liso
- Flujo laminar medianamente rugoso
- Flujo laminar francamente rugoso
- Flujo turbulento hidráulicamente liso
- Flujo turbulento medianamente rugoso
- Flujo turbulento francamente rugoso
Numerosos investigadores hicieron importantes aportes a la ecuación de Darcy-
Weisbach: Hagen Poiseuille y Blasiuss, en 1911 encontraron empíricamente una
expresión para el factor de fricción para un rango determinado del número de
Reynolds. En 1933, el ingeniero alemán Johann Nikuradse realizó una serie de
experimentos con los cuales logró construir el que se conoce como diagrama de
Nikuradse, relacionando la rugosidad de las tuberías y su diámetro. Éste diagrama
fue precursor del diagrama de Moody, utilizado para el cálculo de tuberías ( Lewis
F.Moody, 1944) El ingeniero alemán Prandtl, y su discípulo Theodore Von
Karman, en la década de 1920 a 1930, realizaron grandes aproximaciones a la
expresión que permite el cálculo de tuberías en régimen turbulento y flujo
hidráulicamente liso20
.
.
19
Ibíd., p.48.
20
Ibíd., p.48-65.

29
4.2 MARCO CONCEPTUAL
Las aguas residuales de tipo municipal, doméstico e industrial son vertidas a las
cloacas y van a alimentar el sistema de alcantarillado. Además, se les llama
aguas negras a las aguas residuales provenientes de los inodoros, es decir, que
transportan excretas y orina humanas; también se denominan aguas grises a las
aguas residuales que provienen de tinas, duchas, lavamanos, lavadoras y
talleres21
.
Las aguas lluvias también son conducidas a los sistemas de alcantarillado,
después de que han transportado la carga contaminante de techos, calles y
demás superficies por donde ellas circulan. La figura 3 muestra las principales
fuentes de aguas residuales municipales22
.
Figura 3. Principales fuentes de aguas residuales municipales.
Fuente. ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales. Editorial Escuela
Colombiana de Ingeniería. Bogotá. 2000. p.18.
21
ROMERO ROJAS, Jairo A. Tratamiento de aguas residuales, teoría y principios de diseño.
Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá. 2000. p.17.
22
Ibíd., p.18.

30
En el proceso de tratamiento de aguas residuales se pueden distinguir hasta
cuatro etapas que comprenden procesos tanto físicos como biológicos:
• Tratamiento preliminar: se refieren a la reducción de sólidos en suspensión,
es decir, el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga
para pasar a un posterior tratamiento23
.
• El tratamiento primario se emplea para la eliminación de sólidos
suspendidos, ya sea mediante neutralización u homogeneización24
.
• Tratamiento secundario: el cual consiste en reducir la DBO en flujo de
fluido, mediante procesos aerobios y anaerobios. Uno de los tratamientos
más utilizados es el de los lodos activos el cual consiste en someter a
aireación durante un tiempo prolongado el agua residual con el fin de
disminuir su contenido de materia orgánica, obteniéndose un lodo con
mucho floc25
.
• Tratamiento terciario es aquel que consiste en obtener una calidad de
efluente mejor que en el tratamiento secundario. Los siguientes
tratamientos corresponden a tratamiento terciario: 1. Separación de sólidos
en suspensión, 2. Adsorción en carbón activo, 3.intercambio iónico,
4.ósmosis inversa, entre otros26
.
23
JIMÉNEZ BELTRÁN, Domingo; DE LORA, Federico y RAMALHO, Rubens S. Tratamiento de
aguas residuales. Traducción de la ed. 2 en lengua inglesa. Editorial Reverté S.A. Barcelona.1996.
p. 95.
24
Ibíd..., p. 154.
25
Ibíd., p. 254.
26
Ibíd., p. 585.

31
Los humedales son ecosistemas complejos que mediante procesos físicos,
biológicos y químicos, están absorbiendo y liberando energía. Algunos de estos
procedimientos incluyen depuración de su mismo medio, como lo pueden ser
pantanos, marismas, turberas27
La convención Ramsar define a los humedales como:
“Extensiones de marismas, pantanos, turberas o aguas de régimen natural o
artificial, permanentes o temporales, estancadas o de corrientes, dulces, salobres
o saladas, incluyendo las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea
baja no exceda de seis metros” 28
A partir de los humedales naturales han surgido los humedales artificiales, los
cuales son construidos por el ser humano. Poseen las características
estructurales y funcionales de un ecosistema, realizando una depuración o
tratamiento a las aguas que llegan a él, como una forma alternativa de tratamiento
donde se utiliza un medio filtrante y plantas emergentes que permiten el
desarrollo de microorganismos que se encargan de la remoción de la materia
orgánica, la cual se ve favorecida por la acción bioquímica, el oxígeno que aportan
las plantas y el papel que cumple el medio filtrante como soporte para las plantas
y microorganismos29
. Los humedales construidos se han usado para tratar
diversos tipos de residuos: aguas de irrigación, residuales, y de rellenos naturales.
A continuación, como ejemplo, la figura 4 muestra uno de los dos humedales
construidos en la Granja el Cortijo (lugar donde se realizó el trabajo de grado),
27
SÁNCHEZ, Heliodoro; ALVÁREZ, Ricardo y ESCOBAR, Elsa Matilde. Una aproximación a los
HUMEDALES en Colombia. Editora Guadalupe Ltda. Bogotá. Abril de 1998.p.23.
28
Ibíd., p. 21.
29
DURAN B., Carmen, et al. Humedales artificiales, una alternativa viable para el tratamiento de
aguas residuales en zonas rurales, suburbanas y urbanas que tengan áreas disponibles. Ciudad de
México D.C. 1999.pde la página.

32
conformado por el medio filtrante y plantas emergentes que permiten realizar la
descontaminación del agua residual.
Figura 4. Plantas emergentes sembradas en medio filtrante de grava en La Granja El
Cortijo.
Fuente. El autor.
Las aguas residuales que son filtradas en los humedales construidos recorren
diferentes circuitos, un ejemplo puede ser un circuito lineal, como el construido en
granja porcícola y planteado por los estudiantes de maestría en Eco tecnología de
la Universidad Tecnológica de Pereira, (porcícola- biodigestor-tanque de
almacenamiento principal-tanque de dilución-canecas con grava-sedimentador-
humedales construidos) con conexión en cada una de las partes mencionadas (y
según lo observado por la persona que escribe) y mediante tubería sanitaria PVC
de 3”, accesorios: codos, tees, yees y válvulas o llaves. Las válvulas son muy
importantes ya que permiten controlar el agua residual hasta los humedales
construidos. Y las válvulas de flotador se suelen utilizar en los tanques de
almacenamiento para regular el nivel del agua automáticamente. Referente a las
tuberías, se usan en algunas situaciones como el sifón en PVC, o bien en el
material que se necesita y cumpla con los requerimientos especificados para la

33
densidad, temperatura, turbidez, tipo de flujo, etc., del fluido a trabajar. Para el
presente trabajo se utilizó una manguera plástica transparente, debido a su gran
resistencia contra la corrosión y por su facilidad para poder formar el sifón dentro
del tanque.
A continuación se mencionan algunos detalles de los principios que se utilizaron
para trabajar el sifón en su inicio, posteriormente se indica como quedó el sifón.
Un sistema de válvula flotador muy utilizado frecuentemente se encuentra en las
cisternas de los inodoros. Funcionan con un sifón, que hace que el agua (o
cualquier otro líquido) fluya en dirección ascendente, descendente30
. Éste sistema
fue una primera alternativa a utilizar .El agua entraría por la válvula de flotador y
con su ascenso dentro del tanque levantaría un tapón de caucho por el aumento
del nivel del agua y a su vez se iría descargando el tanque31
. Este método era algo
empírico y costoso. Empírico, ya que las válvulas que se usan en los tanques
generalmente controlan un nivel de agua almacenada durante un tiempo largo que
puede ser incluso de varios meses (ver la figura 5 para comprender el sistema
inicial), en contraste a esta característica, el requerimiento para este proyecto fue
un sistema intermitente para el vaciado del tanque aproximadamente cada hora,
por espacio de diez horas y treinta minutos en un día.
30
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA. Válvulas de cierre y control [En línea] <
http://editorial.cda.ulpgc.es/servicios/2_fontaneria/24/s241.htm> [Accesado el 24 de Mayo de
2012]
31
HALL, F. Sistemas de suministros de agua fría, desagüe e instalaciones
sanitarias. Limusa Noriega editores S.A. 1998. p. 121-124.

34
Figura 5. Tanque de carga con válvula de flotador.
Fuente. El autor.
Otro factor importante a la hora de elegir el sistema a implementar para el
sifonamiento del tanque fue la naturaleza del líquido (agua residual + agua limpia).
En primer lugar se hubiera podido elegir un flotador de plástico y se solucionaría el
problema de una posible corrosión con no mucho tiempo después de haberse
instalado, pero se necesitaba un poco de peso en la bomba que ejerciera fuerza
junto con el movimiento del agua para levantar el tapón, necesidad que no suplía
este tipo de flotador. Un flotador en bronce se implementó en un principio como
solución, ya que era pesado y resistente a la corrosión, pero no dio resultado
porque el tanque de carga no se evacuaba intermitente sino que por el contrario
mantenía llenándose, es decir, el flotador siempre mantenía sobre agua y un poco
elevado permitiendo un paso constante del agua; razón por la que no se utilizó
este sistema.
Se realizó una consulta bibliográfica y se verificó la excelente respuesta de las
mangueras de caucho con el agua residual, Por lo que se planteó la utilización de
una manguera plástica para trabajar como sifón. El diámetro de la manguera se
determinó posteriormente cuando se hizo el diseño, el cual se explica en el marco
metodológico. En la figura 6, se señala el modelo del tipo de manguera necesaria
para el sifón.

35
.
Figura 6. Tanque de carga con manguera dentro con forma en U invertida. Prueba de
funcionamiento.
Fuente. El autor.
4.3 MARCO TEÓRICO
El funcionamiento del sifón para este proyecto en particular involucra diferentes
ideas. El tanque de carga ya se encuentra instalado y corresponde al tercer
tanque del sedimentador, puede almacenar el volumen de agua residual necesaria
a descargarse controladamente y de forma intermitente; correspondiente a 0.300
m3
, debido a que tiene capacidad de almacenamiento para 0.400 m3.
La manguera es un elemento hidráulico que tiene como función transportar el flujo
de agua residual fuera del tanque de carga y hacia los humedales, funcionando
como sifón en forma de “n”, y con desagüe en la parte inferior dentro del mismo
tanque. Cuando ambas ramas del sifón están llenas, el peso del líquido en la rama
más larga es mayor que el de la rama más corta, lo que hace que el líquido
ascienda por la rama corta, pase por el codo y descienda por la rama larga.
En cuanto a los sifones, usualmente, no trabajan satisfactoriamente cuando la
presión en el punto más alto (referente al menisco de la "n”) es cercana a la
presión de vapor. Lo que se conoce como cavitación .Aire y otros gases disueltos
en el líquido dejan de serlo a presiones bajas y se juntan en el punto más alto del

36
conducto, reduciendo así la longitud de la columna de líquido en el lado derecho
de la”n”, la que genera la presión baja del punto más alto del sifón; pero se puede
decir que se puede controlar este fenómeno desde el diseño.
El vaciado del tanque, con capacidad de 300 litros, fue de operación intermitente
con descargas de agua residual en intervalos de una hora aproximadamente (la
carga del tanque duraba 45 minutos, y su vaciado un promedio de 15); para una
jornada de trabajo de diez horas diarias, de lunes a viernes.
4.3.1 1 Teorema de Bernoulli. Principio físico que implica la disminución de la
presión de un fluido (líquido o gas) en movimiento cuando aumenta su velocidad.
Fue formulado por el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli, y anteriormente
por Leonhard Euler32
.
El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme
permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que,
como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse
compensado por una disminución de su presión. A medida que un fluido se
desplaza a través de un tubo de sección transversal y elevación variables, la
presión cambia a lo largo del tubo. La ecuación de Bernoulli no es una ley física
independiente, sino una consecuencia de la de la energía aplicada al fluido ideal33
.
Es importante recordar que para el caso de este trabajo el flujo de agua trabaja
bajo condiciones especiales, entonces las suposiciones implícitas en la ecuación
de Bernoulli se modifican. Se aplicó la ecuación, así: para el flujo de fluido, de
éste proyecto, que es no permanente con condiciones gradualmente cambiantes;
se realiza el vaciado del tanque, sin error apreciable; analizando los casos que
32
STREETER, Víctor; WYLIE, E. y BEDFORD, Keith. Mecánica de fluidos. McGraw-Hill. Ed. 9.
Bogotá.2000. p. 204.
33
Ibíd., p. 205.

37
comprenden fluidos reales haciendo inicialmente caso omiso del efecto de corte
viscoso para obtener resultados teóricos34
. La ecuación de Bernoulli suele
expresarse como:
1
2
P = Altura de Presión
2
2
1
v
ρ = Altura de velocidad
gy
ρ = Altura de cota
La siguiente figura muestra la diferencia de nivel entre el punto de entrada (1) y
salida (2)
Figura 7. Puntos de entrada 1 y punto de salida 2 los cuales muestran la diferencia de altura
que permitió el funcionamiento del sifón.
Fuente. El autor.
34
Ibíd., p. 206.

38
Esta ecuación se aplica para un fluido incompresible, no viscoso y de régimen
estacionario (pero como ya se mencionó estos aspectos pueden variar) entre dos
puntos cualesquiera del mismo, así:
La ecuación de Bernoulli establece que la suma de la presión ( ), la energía
cinética por unidad de volumen y la energía potencial por unidad de
volumen tienen el mismo valor en todos los puntos a lo largo de una línea de
corriente.
En este proyecto no se trabajan pérdidas del sistema debido a que el flujo del
fluido evidenciado en los aforos no mostraba mayor resistencia en su
desplazamiento.
Utilizando Bernoulli entre los puntos 1 y 2, en la figura 7, se pudo hacer el análisis
de la presión que se genera en el punto 2, para posteriormente y de la ecuación
1 despejar 2
P (presión de vacío)
Sabiendo que la ecuación de Bernoulli es:
2
2
2
2
1
2
1
1
2
2
z
g
V
p
z
g
V
p
+
+
=
+
+
γ
γ (1)
De donde:
γ
1
p
= Altura de Presión en 1
g
V
2
2
1
=Altura de velocidad en 1
1
Z = Altura de cota en 1

39
γ
2
p
=Altura de Presión en 2
g
V
2
2
2
=Altura de velocidad en 2
De donde:
0
1 =
P
0
2
2
1
=
g
V
0
1 =
Z
0
2 =
Z
Por lo tanto, la ecuación quedaría así:








−
=
g
V
p
2
2
2
2 γ
(2)
*Indicando con el signo (-) que la presión que se forma es menor que la
atmosférica. Se genera un vacío que acciona la descarga del fluido hacia fuera del
tanque y a través de la manguera en forma de n35
. Además, también se tiene la
presión atmosférica sobre el nivel libre del volumen de agua en el tanque, sumada
con la presión de vacío hallada que generan la descarga a través de la manguera.
35
STREETER. Victor; WYLIE, E. y BEDFORD, Keith. Mecánica de fluidos.
McGraw-Hill. Ed. 9. Bogotá.2000. p 549.
*Se aclara que el valor de la succión que se genera en la curvatura o menisco de la manguera, se
halla con la ecuación de Bernoulli. No se trabajan pérdidas debido a que la manguera es sólo de 1
m y además es lisa por dentro.

40
Figura 8. Posición de la manguera dentro del tanque de carga con las respectivas alturas
que indican el nivel máximo de llenado (1) y la salida (2)
Fuente. El autor.
4.3.2 Cavitación.
En determinados lugares del sistema, de flujo de líquidos, es posible que se
produzcan presiones muy bajas que pueden ser menores o iguales que la presión
de vapor; como resultado el líquido hierve y se convierte rápidamente en vapor.
Las burbujas de vapor desaparecen debido a que estas son arrastradas con el
líquido hasta una región donde hay una mayor presión. Este fenómeno se llama
cavitación. Si las burbujas de vapor están en contacto a una superficie sólida
cuando desaparecen, las fuerzas que el líquido ejerce al introducirse
violentamente en las cavidades crean presiones muy grandes y puntuales que
deterioran la superficie sólida. El fenómeno es acompañado de ruidos y
vibraciones.
Para saber que tanto puede estar sometido determinado sistema a cavitación se
utiliza el parámetro de cavitación, el cual se define mediante la siguiente ecuación:

41
(3)
4.3.2 Ecuación de continuidad. Es el resultado del principio de conservación de
la masa. La masa de fluido que pasa cualquier sección de una corriente de fluido,
por una unidad de tiempo, es constante (siempre y cuando sean constantes la
presión y la temperatura entre dos puntos de interés cualquiera, es decir, se un
flujo de fluido incompresible)36
. Puede calcularse de la siguiente manera:
Donde 1
A es el área de la sección recta en
2
m , 1
ρ la densidad del flujo de fluido
en 1 en 3
m
kg
, y 1
V la velocidad promedio de la corriente en s
m en la sección 1,
de forma análoga es el significado para la sección 2.
Conociendo que en los dos puntos de interés, 1 y 2, se tiene un flujo de fluido con
igual densidad ( ρ ), entonces la ecuación de continuidad queda así:
Ó 







=
=
=
s
m
V
A
Q
V
A
Q
3
2
2
2
1
1
1 (4)
36
GILES, Ranald V. Mecánica de los Fluidos e Hidráulica. Ed. 3. Madrid. Schaum. McGraw-Hill-
Interamericana. 1995. p. 71.
te
cons
V
A
V
A tan
2
2
2
1
1
1 =
= ρ
ρ

42
Después de múltiples ensayos con diferentes diámetros de manguera (3”, 2”, 1 ½”,
1”) se pudo descargar el tanque en forma correcta, con la manguera de diámetro
1”. Posteriormente, se halló el área transversal de la manguera con la fórmula de
área circular:
)
(
4
2
2
2 m
d
A ×
=
π
(5)
Por tanto, de la ecuación (5), una vez conocidos el caudal de salida
)
(
10
*
33
.
3 3
4
2 seg
m
Q −
= ) y el área transversal de la manguera 2
A , se despejó la
velocidad de salida 2
V , así:






=
s
m
A
Q
V
2
2
2 (6)
Se reemplazaron los valores correspondientes para hallar 2
V .

43
5. MARCO METODOLÓGICO
5.1 Condiciones de operación del sifón y medición del tanque de carga.
Fluido intermitente cada hora aproximadamente, entre las 7:00 a.m. y las 5:30
p.m., de lunes a viernes. Este tiempo se puede considerar debido a que el
operario de la granja arriba a las 6:45 a.m. garantizando que se puede cumplir con
el tiempo de inicio para el llenado del tanque.
• Tiempo de llenado del tanque: 45´
• Tiempo de vaciado o de distribución: 15´
• Volumen requerido para desalojar cada hora: 300 L
• H: 0.81m (distancia Z2)
• h: 0.61m (distancia Z1)
• Tiempo de operación del sifón en una jornada de trabajo: 10 horas.
A continuación se muestran el punto 1 y el punto 2 que corresponden a las alturas
donde se evalúan cada una de las energías. Las energías a evaluar fueron:
energía de presión, energía potencial y energía generada por la velocidad.
Es de mencionar que lo que lo que se tiene en cuenta es la diferencia entre estas
dos alturas.

44
Figura 9. Posición de la manguera dentro del tanque de carga con las
respectivas alturas que permiten el sifonamiento.
Fuente. El autor.
Se trabajó con un flujo de fluido incompresible, con presiones atmosférica e
hidrostática y además a temperatura de 18°c. El agua residual se mezcló con
agua limpia en un tanque de dilución. A continuación se muestra la figura 10
donde se presenta el tanque de dilución.

45
Figura 10. Tanque de dilución de agua limpia y agua residual.
Fuente. El autor.
Se realizó la medición del tanque y el aforo del caudal que llega a éste último,
utilizando: cubeta aforadora, cronómetro digital y cinta métrica. También se
menciona que se tomó la temperatura con un termómetro de mercurio, que midió
18°c, los días que se realizaron los aforos mostrados en las tablas de aforos.
Los resultados en la medición del tanque fueron los siguientes:
Largo: 0.70 m
Ancho: 0.70m

46
Altura: 0.75 m3
Con las anteriores dimensiones se hubiera podido almacenar y descargar hasta
367 L, pero como los requerimientos fueron diferentes, se tomó una altura de 0.61
m para tener un volumen de descarga intermitente de 300 litros que fue lo
requerido. A continuación se muestra la ecuación para el volumen de descarga:
∗ ,∗ ( ) (8)
= ∗ ∗ = 0.70 ∗ 0.61 ∗ 0.70 = 0.294 ~0.300
V= Volumen de descarga
L=Largo
P=Profundidad
A=Ancho
El caudal de entrada se reguló mediante un tanque de dilución, que se encuentra
antes del tanque de carga y del sedimentador de partículas. Allí se mezclaron
aguas limpia y residual; con el fin de que la manguera (sifón hidráulico
automático) funcionara bajo condiciones aproximadas a un fluido ideal.

47
La siguiente actividad fue aforar el caudal a la entrada del tanque. A continuación
la figura 11 muestra el tanque donde se realizó el aforo.
Figura 11. Vista en planta del tanque de carga.
Fuente. El autor
5.2 Aforo de caudales para verificar tiempos de carga/descarga. Se observó
el comportamiento del agua, en cuanto al tiempo de llenado del tanque de carga,
por medio de aforos y/o tomas de tiempo. Para esto se llenó de agua el tanque
hasta 0.61 m desde el piso y hacia la superficie (medidos anteriormente) y se
contabilizó el tiempo de llenado hasta 0.61 m, el resultado fue 2700 s en promedio.
Para determinar la velocidad de salida se tuvo en cuenta que la manguera debía
trabajar a flujo lleno para que hubiera sifonamiento. En las tablas 1-8 se muestra
los aforos de caudal a la entrada del tanque (tablas 1-4) y en las tablas 5-8 se
muestran los aforos a la salida del tanque de carga en cubeta aforadora.

48
Tabla 1. Aforo de caudal a la entrada de tanque de carga.19/3/2010.
Aforo entrada tanque de carga y registro de temperatura
Hora
(a.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t prom.
(s)
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
°(C)
9:00
3010 0.300 9.96*10-5
3007 9.98*10-5
19
18
3003 0.300 9.99*10-5
17
10:00
3011 0.300 9.96*10-5
3006 9.98*10-5
18
18.5
3001 0.300 9.99*10-5
17
11:00
3008 0.300 9.97*10-5
3005 9.98*10-5
19
18
3001 0.300 9.99*10-5
17
12:00
3005
0.300
9.98*10-5
3002 9.99*10-5
19
18
2998 0.300 1*10-4
17
Fuente. El autor.

49
Tabla 2. Aforo de caudal a la entrada del tanque de carga. 25/3/2010
Hora
(a.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t
prom.
(s)
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
9:00
2997 0.300 1*10-4
2998 1*10-4
19
18
2998 0.300 1*10-4
17
10:00
3005 0.300 9.98*10-5
2999 9.99*10-5
18
18.5
2992 0.300 1*10-4
17
11:00
3010 0.300 9.96*10-5
3004 9.98*10-5
19
17.5
2998 0.300 1*10-4
16
12:00
2996 0.300 1*10-4
2999 1*10-4
19
18
3001 0.300 9.99*10-5 17
Fuente. El autor.
Tabla 3. Aforo de caudal a la entrada del tanque de carga.01/4/2010
Hora
(a.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t
prom.
(s)
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
9:00 2988 0.300 1*10-4
2989 1*10-4
19
18
2991 0.300 1*10-4
17
10:00 3002 0.300 9.98*10-5
2999 1*10-4
18
18.5
2996 0.300 1*10-4
17
11:00 2982 0.300 9.96*10-5
3002 1*10-4
19
18
2994 0.300 1*10-4
17
12:00 3007 0.300 1*10-4
3003 1*10-4
19
18
2999 0.300 9.99*10-5
17
Fuente. El autor.

50
Tabla 4. Aforo de caudal a la entrada del tanque de carga. 15/4/2010
Hora
(a.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t
prom.
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
9:00 2994 0.300 1*10-4
2996 1*10-4
19
18
2998 0.300 1*10-4
17
10:00 2999 0.300 9.98*10-5
3003 1*10-4
18
18.5
3004 0.300 1*10-4
17
11:00 3002 0.300 9.96*10-5
3003 1*10-4
19
18
3003 0.300 1*10-4
17
12:00 2997 0.300 1*10-4
3002 1*10-4
19
17.5
3006 0.300 9.99*10-5 16
Fuente. El autor.
Tabla 5. Aforo de caudal a la salida del tanque de carga. 29/4/2010
Aforo salida tanque de carga y registro de temperatura
Hora
(p.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t
prom.
(s)
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
1:00 900 0.300 3.33*10
-4
900 3.33*10
-4
19
18
900 0.300 3.33*10
-4
17
2:00 898 0.300 3.33*10
-4
902 3.33*10
-4
18
18
904 0.300 3.33*10
-4
17
3:00 900 0.300 3.33*10
-4
898 3.33*10
-4
19
17.5
896 0.300 3.33*10
-4
17
4:00 900 0.300 3.33*10
-4
900 3.33*10
-4
19
18
900 0.300 3.33*10
-4
17
Fuente. El autor.

51
Tabla 6. Aforo de caudal a la salida del tanque de.14/5/2010
Hora
(p.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t
prom.
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
1:00 900 0.300 3.33*10
-4
900 3.33*10
-4
19
18
900 0.300 3.33*10
-4
17
2:00 898 0.300 3.33*10
-4
902 3.33*10
-4
18
18
904 0.300 3.33*10
-4
17
3:00 900 0.300 3.33*10
-4
898 3.33*10
-4
19
17.5
896 0.300 3.33*10
-4
17
4:00 900 0.300 3.33*10
-4
899 3.33*10
-4
19
18
898 0.300 3.33*10
-4
17
Fuente. El autor.
Tabla 7. Aforo de caudal a la salida del tanque de carga .28/4/2010.
Hora
(p.m.)
t(s)
Vol.
(m3
)
Q (m3
/s)
t prom.
(s)
Q prom.
(m3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
1:00 900 0.300 3.33*10
-4
900 3.33*10
-4
19
18
900 0.300 3.33*10
-4
17
2:00 898 0.300 3.33*10
-4
902 3.33*10
-4
18
18
904 0.300 3.33*10
-4
17
3:00 900 0.300 3.33*10
-4
898 3.33*10
-4
19
17.5
896 0.300 3.33*10
-4
17
4:00 904 0.300 3.33*10
-4
902 3.33*10
-4
19
18
900 0.300 3.33*10
-4
17
Fuente. El autor.

52
Tabla 8. Aforo de caudal a la salida del tanque de carga.11/5/2010.
Aforo de caudal a la salida del tanque de carga y registro de temperatura.
Hora
(p.m.)
t(s)
Vol.
(m
3
)
Q (m
3
/s)
t prom.
(s)
Q prom.
(m
3
/s)
T ° (C)
T prom.
(°C)
1:00
900
0.300
3.33*10
-4
900 3.33*10
-4
19
18
900
0.300
3.33*10
-4
17
2:00
898
0.300
3.33*10
-4
902 3.33*10
-4
18
18.5
904
0.300
3.33*10
-4
17
3:00
900
0.300
3.33*10
-4
898 3.33*10
-4
19
18
896
0.300
3.33*10
-4
17
4:00
904
0.300 3.33*10
-4
902 3.33*10
-4
19
18
900
0.300 3.33*10
-4
17
Fuente. El autor.
Las anteriores tablas permitieron saber el valor de los caudales de entrada y
salida. De las cuatro primeras tablas (1-4), se sumaron todos los valores
correspondientes a la columna de Q promedio (caudal promedio) para el caudal de
entrada, y se dividió dicha suma entre el total de valores. En forma análoga y con
las siguientes cuatro tablas (4-8) se halló el Q promedio (caudal promedio) de
salida. A continuación se mencionan dichos valores:

53
• Caudal promedio de entrada al tanque: e
Q
=
1*11 -4
m3
/s.
• Caudal promedio de salida de tanque: s
Q
=
3.33*10-4
m3
/s
5.3 Selección de la manguera que sirvió como sifón hidráulico, mediante
pruebas de ensayo y error.
El caudal dos, Q2, fue cronometrado mientras se descargaba el tanque de carga,
dando como resultado s
m3
4
10
*
33
,
3 −
.
Después de múltiples ensayos con diferentes
diámetros de manguera (3”, 2”, 1 ½”, 1”), el tanque se pudo desocupar
perfectamente con la manguera de diámetro 1”.
Todas las mangueras utilizadas eran plásticas y de 1 metro de largo, no ofrecían
una resistencia considerable por lo que no se presentaron pérdidas de energía
dentro de ellas.
Se realizó una primera prueba para la descarga del tanque con una manguera de
dos pulgadas.
Figura 12. Primera manguera ensayada, diámetro de dos pulgadas.
Fuente. El autor.

54
El volumen del flujo de fluido almacenado llegaba hasta la cúspide y luego no se
descargaba. Fue por eso que se decidió probar con una manguera de 1 ½”.
Figura 13. Primera manguera ensayada, diámetro de 1 pulgada y media.
Fuente. El autor.
De igual forma que con la manguera anterior, el sistema no permitía descargar el
flujo de fluido fuera del tanque.
Posteriormente se ensayó con una manguera de 1”, el tanque descargó.
Figura 14. Tercera manguera, diámetro de 1 pulgada.
Fuente. El autor.

55
Figura 15. Tanque de carga con manguera dentro con forma en “n”. Prueba de
funcionamiento 2..
Fuente. El autor.
Se reemplazó el valor de 1” en la fórmula del área del círculo y se halló el área dos
A2. La fórmula es:
2
A = 2
4
d
×
π
Reemplazando el valor del diámetro d en la fórmula, se obtuvo:
2
A = ( )2
0254
.
0
4
m
×
π
=
2
4
2 10
*
06
.
5 m
A −
=
Por tanto el valor del área dos (A2) fue de 5.06 *10-4
m2
.
Ahora que también halló el área transversal de la manguera, se pudo conocer la
velocidad de salida del flujo de fluido del tanque mediante la ecuación (7)
La ecuación (7) indica que la velocidad en el punto dos es igual al caudal en el
punto dos entre el área transversal de la manguera en el punto dos; se expresa
así:

56






=
s
m
A
Q
V
2
2
2
5.4 Medición de la velocidad de salida V2 .
Los valores hallados anteriormente de Q2 y A2 se reemplazan en (7), de la
siguiente manera:
s
m
s
m
V 95
.
3
10
*
06
.
5
10
*
002
.
0
4
3
2 =






= −
−
La velocidad de salida del flujo de fluido resultó de 0.66 s
m
Figura 16. Ubicación del punto (2) extremo de la salida del tanque de carga y para
el cual se determina la V2
Fuente. El autor.

57
5.5. Medición de la densidad del agua residual.
La densidad del flujo de fluido se determinó mediante picnómetro de laboratorio.
La medida se hizo en el laboratorio de ciencias ambientales de la Universidad
Tecnológica de Pereira.
Lo primero que se realizó fue tomar los respectivos pesos de: El picnómetro
vacío, peso de picnómetro con agua destilada y el peso de la muestra del agua
residual. Posteriormente, se determinó el valor de la densidad del agua a tratar
utilizando la siguiente ecuación:
1
2
1
3
M
M
M
M
−
−
=
ρ
(8)
De donde:
M3: Peso picnómetro+ agua residual.
M1: Peso picnómetro vacío
M2: Peso picnómetro+ agua destilada
Los respectivos pesos fueron:
Peso picnómetro vacío: 9.9775 g
Peso picnómetro+ agua destilada: 15.5952 g
Peso picnómetro+ agua residual: 17.343 g
Se reemplazaron los anteriores pesos en la ecuación (8), de la siguiente manera:

58
l
mg
311
.
1
9775
.
9
5952
.
15
99775
.
9
343
.
17
=
−
−
=
ρ
El valor de la densidad de la muestra de agua residual fue:
l
mg
311
.
1
5.6 Medición de la presión de vacío.
Ahora, para determinar la presión de vacío se aplicó la ecuación de Bernoulli entre
el nivel de llenado máximo del tanque (punto 1), hasta el centro de la manguera en
la curvatura (punto 2, que es una distancia de seis milímetros y se tomó como
distancia cero, por ser tan pequeña). Aplicando Bernoulli para determinar la
presión P2
Figura 17. Puntos de entrada (1) y de salida (2) 37
que permiten evaluar la presión de
vacío generada en el punto 2.
37
A diferencia de las otras figuras aquí el punto (2 ) se ubica en la cúspide para hallar succión

59
*
+
+ , +
2
=
*
+
+ , +
2
(1)
Sabiendo que:
P2: Presión en el punto 1 (igual a 0)
Z1: Altura del punto 1 (igual a 0)
-.
/
: Velocidad cinética en el punto 1 (igual a 0)
Ahora los términos del segundo miembro:
P2: Presión en el punto 2 (incógnita)
Z2: Altura del punto 2 (6 milímetros por debajo del p1, dentro de la manguera, por
lo tanto es despreciable)
-
/
: Velocidad cinética en el punto 2
Despejando el término de energía de presión, de la ecuación de Bernoulli, en el
punto 2; se obtuvo:
* = 0−
-
/
2 (2)
Reemplazando cada valor de la ecuación anterior (10) por los mencionados
anteriormente, se obtuvo * , así:
* = 1311
3
× 9.81 6−
00.65 2
2 × 9.81
8 =

60
* = 12861.891
9
× :
0.4225
19.62
; =
* = 12861.891
9
× 0.02153 =
* = −276.9165
9
El valor de la presión dos (P2) resultó −276.9165
<
=
(sólo indica que es una
presión menor que la atmosférica)
Por lo tanto, se cumple la condición para que se genere un vacío en la cúspide y
se genere una descarga por gravedad. Además la presión de 276.9165
<
=
sumada
a la presión atmosférica 101.3k
<
=
da como resultado una presión mayor de 101.5
k
<
=
que permite la descarga.
Cuando el agua asciende en el tanque, con capacidad de 0.300 m3
, hasta el
menisco; el sifón se activa hidráulicamente y evacúa el volumen de agua residual
cada 45 minutos.
Se indica que se hicieron dos limpiezas de la manguera por semana para poder
garantizar el caudal medido, cada lunes y antes de iniciar la jornada. Éstas se
efectuaron utilizando una manguera de jardín y con agua limpia.

61
Figura 18. Se muestra el sedimentador de partículas, con sus tres tanques.
De izquierda a derecha el tercer tanque es el utilizado para ubicar el sifón
hidráulico automático.
Fuente. El autor.

62
Figura 19. Isometría del tanque de carga con manguera que funciona como
sifón.
Fuente. El autor
.

63
6. CONCLUSIONES
La investigación permitió realizar el sifón hidráulico automático para el sistema
piloto de humedales híbridos como post-tratamiento de aguas residuales de una
porcícola.
Al medir el tanque existente (0.417m3
) y realizar las pruebas hidráulicas junto con
los aforos de caudal, se determinó una solución al problema planteado, como era
irrigar 0.300 m3
, sin requerir de construcciones adicionales.
Se aforaron los caudales, y se verificó un tiempo de llenado de 2700 segundos
para 300 litros. El tiempo de vaciado fue 900 segundos, cumpliendo con tiempos
requeridos por el estudio previo realizado por la Universidad Tecnológica de
Pereira.
El diámetro de tubería hallado mediante las ecuaciones de Continuidad y Bernoulli
permitió descargar el caudal requerido en forma óptima en el intervalo de tiempo
solicitado (10 horas diarias, de lunes a viernes)
El sistema de sifón en “n” es práctico y económico y en el caso del estudio
presentado se cumplió después de muchas mediciones, teniendo en cuenta la
fundamentación teórica del sifonamiento por gravedad, en general lo que permitió
dar solución al problema planteado en la porcícola.
El tiempo de operación requerido, de una hora, se cumplió, con un resultado de
2700s para la carga y 900 s para la distribución hacia los humedales.

64
7. RECOMENDACIONES
Analizar muy bien para cualquier caso semejante a éste trabajo, el tipo de fluido
que se va a utilizar, determinar las condiciones del flujo de fluido, y utilizar las
ecuaciones pertinentes.
Tener en cuenta que el agua residual que se trata en el trabajo es diluida con agua
limpia, por tanto no ofrece una oposición al deslizamiento del flujo de fluido, para
la manguera plástica de un metro y utilizada como sifón

65
BIBLIOGRAFÍA
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Prehistórico. En: Investigación y Ciencia. Diciembre de 2006. No. 363. p.22.
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