Estructuras de control para reducción de presión en sistemas de abastecimiento

Estudiar el comportamiento de sobrepresión en sistemas de abastecimiento de agua potable y las diferentes estructuras propuestas para controlar tal situación.

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 

FACULTAD DE INGENIERÍA 

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL 

 

 

 
 

PROYECTO ESPECIAL 

MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL 

 
 

ESTUDIO SOBRE ESTRUCTURAS DE CONTROL  PARA 

QUIEBRE Y REDUCCIÓN DE PRESIÓN EN SISTEMAS DE 

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE 

 
 

PRESENTADO POR: 

ING. DIANA EUGENIA MARTÍNEZ RUIZ 

 
 

ASESOR: 

m. Sc. Juan G. Saldarriaga 

 
 
 

BOGOTÁ D.C., ENERO DE 2012

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Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 

 

Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

ii 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dedicado  a  Dios,  quien  se  ha 
convertido  en  el  patrocinador 
de  mis  sueños,  a  mi  familia,  
amigos,  profesores  y  a  todas 
aquellas 

personas 

que 

contribuyeron a hacer realidad 
este proyecto. 

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Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 

 

Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

iii 

 

TABLA DE CONTENIDO 

 

1

 

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................... 1

 

1.1

 

INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1

 

1.2

 

OBJETIVOS ........................................................................................................ 2

 

1.2.1

 

OBJETIVO GENERAL .................................................................................. 2

 

1.2.2

 

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 3

 

2

 

MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 4

 

2.1

 

FUNDAMENTOS DEL FLUJO (Tullis, 1989) ........................................................ 4

 

2.1.1

 

Ecuación de Continuidad .............................................................................. 4

 

2.1.2

 

Ecuación de la Energía ................................................................................. 5

 

2.1.3

 

Fenómeno de Cavitación .............................................................................. 7

 

2.2

 

ESTRUCTURAS PARA QUIEBRE DE PRESIÓN: CÁMARAS ............................ 8

 

2.2.1

 

Modelo  USBR  (United  States  Department  of  the  Interior  -  Bureau  of 

Reclamation, 1978) .................................................................................................... 8

 

2.2.1.1

 

Generalidades ....................................................................................... 8

 

2.2.2

 

Modelo Universidad de Medellín ................................................................. 23

 

2.2.2.1

 

Descripción (Camargo Gómez, 1999) .................................................. 24

 

2.2.2.2

 

Dimensiones propuestas (Camargo Gómez, 1999) ............................. 26

 

2.2.3

 

Modelos Empíricos ..................................................................................... 28

 

2.3

 

ESTRUCTURAS  PARA  REDUCCIÓN  DE  PRESIÓN:  VÁLVULAS  Y  PLATINAS

 

31

 

2.3.1

 

Válvulas Reductoras de Presión ................................................................. 31

 

2.3.1.1

 

Descripción (Mateos de Vicente, 2006) ............................................... 31

 

2.3.1.2

 

Partes VRP (Corcho Romero & Duque Serna, 2005) ........................... 32

 

2.3.1.3

 

Funcionamiento (Corcho Romero & Duque Serna, 2005) .................... 33

 

2.3.1.4

 

Diseño VRP ......................................................................................... 34

 

2.3.1.5

 

Estación Reductora de Presión (Corcho Romero & Duque Serna, 2005)

 

36

 

2.3.1.6

 

Innovaciones en VRP .......................................................................... 39

 

2.3.2

 

Placa de Orificios ........................................................................................ 39

 

2.3.2.1

 

Descripción .......................................................................................... 40

 

2.3.2.2

 

Diseño Placa de Orificios ..................................................................... 40

 

3

 

CRITERIOS DE SELECCIÓN: ESTRUCTURAS DE QUIEBRE Y/O REDUCCIÓN DE 

PRESIÓN ........................................................................................................................ 47

 

3.1

 

CÁMARAS DE QUIEBRE .................................................................................. 49

 

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

vi 

 

ÍNDICE DE FIGURAS 

 

Figura 1. Ecuación de continuidad entre dos secciones. .................................................... 4

 

Figura 2. Línea de gradiente hidráulico y de energía. ........................................................ 6

 

Figura 3. Efecto de la cavitación en la LGH, ...................................................................... 7

 

Figura 4. Disposición básica. ............................................................................................. 9

 

Figura 5. Disposición alterna. ........................................................................................... 10

 

Figura 6. Disposición horizontal. ...................................................................................... 11

 

Figura 7. Válvula de Manguito estándar. .......................................................................... 12

 

Figura 8. Válvula de Manguito estándar. .......................................................................... 13

 

Figura 9. Válvula de manguito con orificios (Multichorro). ................................................ 13

 

Figura 10. Válvula de Manguito con orificios (Multichorro). .............................................. 14

 

Figura 11. Fuerza de empuje en el codo. ......................................................................... 16

 

Figura 12. Refuerzos horizontales y verticales. ................................................................ 17

 

Figura 13. Altura de presión. ............................................................................................ 18

 

Figura 14. Orificio de válvula de manguito. ...................................................................... 19

 

Figura 15. Coeficiente de pérdidas para la válvula de manguito estándar. ....................... 20

 

Figura 16. Nomograma para cálculo de dimensiones de la cámara de aquietamiento. .... 21

 

Figura 17. Válvula de Manguito típica con cámara de aquietamiento. .............................. 22

 

Figura 18. Modelo cámara de quiebre 

– Universidad Medellín. ........................................ 24 

Figura 19. Modelo cámara de quiebre 

– Empírico. ........................................................... 29 

Figura 20. Modelo cámara de quiebre 

– Empírico (2). ..................................................... 30 

Figura 21. Sección y lista de componente de VRP 

– Acción directa. ............................... 34 

Figura 22. Modelo de estación reguladora de presión. ..................................................... 38

 

Figura 23. Jaula Anticavitatoria. ....................................................................................... 39

 

Figura 24. Placa de orificios. ............................................................................................ 40

 

Figura 25. Flujo a través de la placa de orificios. ............................................................. 40

 

Figura 26. Localización municipio Honda. ........................................................................ 54

 

Figura 27. Perfil Línea de aducción río Medina 

– Planta de tratamiento........................... 56 

Figura 28. Cámara de quiebre propuesta. ........................................................................ 61

 

 

 

 

 

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 

 

1.1 

INTRODUCCIÓN 

 

En  la  visión  integral  de  sistemas  de  abastecimiento  se  conceptualizan  componentes 

importantes como la captación, aducción, conducción, tratamiento, redes de distribución y 

válvulas  y  accesorios  complementarios.  En  la  práctica,  se  entiende  por  sistema  de 

abastecimiento, el conjunto de tuberías y estructuras que se disponen de tal manera que 

puedan transportar en forma segura y continua el agua hasta una planta de tratamiento, y 

de ahí distribuirla a las edificaciones.  

El origen de los sistemas de acueducto se remonta a tiempos antiguos con civilizaciones 

como Grecia y Roma, donde se construyeron canales para transportar las aguas hacia la 

ciudad. Cuando la población y las ciudades fueron creciendo, se hizo necesario,  mejorar 

las condiciones de los sistemas; así empiezan a usarse tuberías, sistemas de tratamiento 

y  estructuras  especiales  para  controlar  el  flujo.  En  los  últimos  siglos  se  ha  visto  la 

necesidad de utilizar elementos para reducir la presión en las tuberías, como cámaras de 

quiebre, válvulas reductoras y placas de orificio.  

En la actualidad no existe una metodología clara de selección y diseño de las estructuras 

para  reducción  de  presión.  En  el  caso  de  las  cámaras  de  quiebre,  no  existe  un  modelo 

establecido.  Todo  esto,  además  de  malas  prácticas  de  ingeniería,  que  han  llevado  a 

estructuras poco funcionales.  

A  través  del  presente  estudio,  se  espera,  que  los  diseñadores  sean  conscientes  de    las 

limitaciones de los modelos para reducción de presión; para tal, se realiza un estado del 

arte de este tipo de estructuras y se muestran casos prácticos de fallas. 

El contenido de este documento se encuentra organizado de la siguiente manera: 

El  capítulo  1.  INTRODUCCIÓN  Y  OBJETIVOS,  presenta  los  aspectos  más  relevantes, 

además de los objetivos generales y específicos del presente estudio. 

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

El capítulo 2. MARCO TEÓRICO, explica los modelos utilizados para quiebre de presión, 

a  saber,  Bureau,  Universidad  de  Medellín  y  modelo  empírico.  Además,  las  válvulas 

reductoras de presión y las placas de orificio.  

El  capítulo  3.  CRITERIOS  DE  SELECCIÓN,  establece  recomendaciones  para  selección 

de  la  estructura  a  utilizar,  además  de  valores  límites  de  aplicabilidad  de  los  modelos  de 

cámaras de quiebre de presión. 

El  capítulo  4.  CASO  DE  APLICACIÓN:  CÁMARAS  DE  QUIEBRE  Y  VÁLVULAS 

REDUCTORAS  DE  PRESIÓN,  muestra  reportes  de  fallas  en  estas  estructuras, 

estudiando el caso específico del municipio de Honda, Tolima.  

El  capítulo  5.  CONCLUSIONES  Y  RECOMENDACIONES,  presenta  los  aspectos  más 

relevantes  de  acuerdo  con  el  estudio  realizado  y  las  recomendaciones  para  futuras 

investigaciones sobre este tema. 

El  capítulo    6.  BIBLIOGRAFÍA,  se  muestran  los  documentos  utilizados  para  el  presente 

estudio. 

En  los  ANEXOS,  se  adjuntan  el  manual  de  válvulas  reductoras  de  presión  de  marca 

TECVAL

®

.  Además  del  plano  planta  perfil  de  la  línea  de  aducción  del  río  Medina  del 

acueducto regional de Honda. 

 

1.2 

OBJETIVOS 

 

1.2.1  OBJETIVO GENERAL 

 

Estudiar  el  comportamiento  de  sobrepresión  en  sistemas  de  abastecimiento  de  agua 

potable y las diferentes estructuras propuestas para controlar tal situación. 

 

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

1.2.2  OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Como  el  objetivo  general  es  de  gran  alcance,  se  especifican  los  siguientes  objetivos, 

acordes con el presente estudio. 

   Realizar  un  estado  del  arte  de  las  estructuras,  tales  como  cámaras  y  válvulas, 

propuestas para quebrar la presión en sistemas de acueducto. 

  Verificar  el  comportamiento  de  las  estructuras  más  utilizadas  en  nuestro  medio 

para quebrar la presión en sistemas de abastecimiento. 

  Establecer rangos  de  operación  de  las  estructuras que  se  consideren  adecuadas 

para controlar la presión en sistemas de abastecimiento. 

 

 

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

MARCO TEÓRICO 

 

En los sistemas de abastecimiento de agua es común que por condiciones topográficas y 

de operación, se requiera reducir la presión hasta límites que el sistema pueda soportar 

sin  riesgos  Para  tal  fin  se  utilizan  cámaras  de  quiebre  de  presión,  válvulas  reductoras  y 

placas de orificio.   

2.1 

FUNDAMENTOS DEL FLUJO (TULLIS, 1989) 

La  solución  de  la  mayoría  de  los  problemas  de  fluidos  generalmente  involucra  la 

aplicación  de  una  o  más  de  las  tres  ecuaciones  básicas:  continuidad,  momentum  y 

energía.  

2.1.1  Ecuación de Continuidad 

La  forma  más  simple  de  la  ecuación  es  para  flujo  permanente,  unidimensional  e 

incompresible. Aplicando continuidad entre dos secciones dadas (Ver Figura 1)

𝐴

1

 𝑉

1

=   𝐴

2

 𝑉

2

= 𝑄 

Ecuación 1 

donde,  

A= Área de la sección de la tubería. 

V: Velocidad Promedio 

Q: Caudal. 

 

Figura 1. Ecuación de continuidad entre dos secciones. 

Fuente: (Física en la Guía 2000). 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

La  Ecuación  1  es  válida  para  cualquier  conducto  rígido,  de  cualquier  tamaño,  siempre  y 

cuando no haya adición o pérdida de líquido entre las dos secciones. 

Si el fluido es compresible, la Ecuación 1, debe ser afectada por la densidad. 

𝜌

1

 𝐴

1

 𝑉

1

=   𝜌

2

 𝐴

2

 𝑉

2

= 𝑄 

Ecuación 2 

2.1.2  Ecuación de la Energía 

La primera ley de la termodinámica es que el cambio de la energía interna de un sistema 

es  igual  a  la  suma  de  la  energía  del  fluido  y  el  trabajo  hecho  por  el  mismo.  Una  forma 

general  de  la  ecuación  de  energía  para  flujo  incompresible,  suponiendo  perfil  de 

velocidades uniforme, es, 

𝑃

1

𝜌

+ 𝑔𝑧

1

+

𝑉

1

2

2

=  

𝑃

2

𝜌

+ 𝑔𝑧

2

+

𝑉

2

2

2

− 𝑊

𝑝

+ 𝑊

𝑡

+ 𝑊

𝑓

 

Ecuación 3 

Las  unidades  de  cada  término  son  energía  por  unidad  de  masa.  Los  dos  primeros 

términos a ambos lados de la ecuación   son la energía potencial, el tercer término es la 

energía cinética, 

𝑊

𝑝

 es la energía de la bomba agregada al sistema, 

𝑊

𝑡

 es la energía de 

la  turbina  removida  del  sistema  y 

𝑊

𝑓

  representa  la  fricción  y  otras  pérdidas  menores  de 

energía. La Ecuación 3 es aplicable a flujo permanente e ignora energía nuclear, eléctrica, 

magnética, y tensión superficial. 

Una forma alternativa de la ecuación de la energía se obtiene al dividir todos los términos 

por la gravedad. Las unidades son energía por unidad de peso de líquido: feet-lb/lb ó N-

m/m, que se reducen a feet ó m, respectivamente, después de una simplificación. Así, la 

forma de la ecuación es, 

𝑃

1

𝛾

+ 𝑧

1

+

𝑉

1

2

2𝑔

=  

𝑃

2

𝛾

+ 𝑧

2

+

𝑉

2

2

2𝑔

− 𝐻

𝑝

+ 𝐻

𝑡

+ 𝐻

𝑓

 

Ecuación 4 

Los  tres  primeros  términos  a  ambos  lados  de  la  ecuación  son  altura  de  presión 

(𝑃 /𝛾), 

altura  de  elevación  (

𝑧 )  por  encima  de  algún  nivel  de  referencia,  y  altura  de  velocidad 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

(𝑉

2

/2𝑔). Los tres últimos términos del lado derecho son la altura dinámica total agregada 

por una bomba (

𝐻

𝑝

) o removida por una turbina (

𝐻

𝑡

) y la altura de pérdidas menores y por 

fricción (

𝐻

𝑓

). Si no hay bombas o turbinas y si las pérdidas por fricción son despreciables, 

los tres últimos desaparecen y la Ecuación 4, se reduce a la ecuación de Bernoulli. 

La energía es una cantidad escalar y la ecuación de energía es una función de punto, es 

decir, cuando se compara la energía en dos puntos cualesquiera en un sistema, cualquier 

camino que se tome del punto 1 al 2, produce la misma energía en el punto 2. Este es el 

principio básico usado en análisis de redes de tuberías. 

La  línea  que  conecta  puntos  de  energía  total,  es  llamada  línea  de  gradiente  de  energía 

(EGL).  La  línea  que  conecta  puntos  de  elevación  más  presión,  es  llamada  línea  de 

gradiente hidráulico (HGL) (Ver Figura 2). 

La altura de la EGL por encima del datum de referencia, se conoce como altura total, y la 

altura de la HGL por encima del datum es llamada altura  piezométrica. 

 

 

Figura 2. Línea de gradiente hidráulico y de energía. 

Fuente: (Tullis, 1989). 

 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

 

 

2.1.3  Fenómeno de Cavitación 

La cavitación es un criterio de diseño importante en el diseño y operación de sistemas de 

tuberías y válvulas. Es necesario determinar si existe el riego de presencia de cavitación. 

La  cavitación  es  causada  por  la  vaporización  y  condensación  rápida  de  un  líquido.  Esto 

origina vacíos y pequeñas burbujas que contienen gas y vapor que forman un núcleo para 

la  vaporización.  Si  estas  burbujas  son  sometidas  a  la  presión  de  vapor,  ellas  crecen 

rápidamente y si la presión circundante es mayor que la presión de vapor, ellas llegan a 

ser inestables y colapsan bruscamente. Las bajas y altas presiones necesarias para que 

se  presente  la  cavitación  causan  rompimiento  y  frecuentemente  están  asociadas  con  la 

formación  de  turbulencias  en  las  capas  límite  o  regiones  de  separación.  Estas 

turbulencias  han  sido  identificadas  como  la  causa  primaria  de  disipación  de  energía  de 

perturbaciones locales (pérdidas menores) (Ver Figura 3). La baja presión en el centro de 

estas turbulencias,  causadas por su alta velocidad rotacional, combinadas generalmente 

con  la  presión  baja  de  las  regiones  de  separación,  pueden  causar  cavitación.  El 

rompimiento de estas cavidades puede causar ruido, fluctuaciones de presión, vibraciones 

y  posible  daño  de  erosión.  Cuando  la  cavitación  llega  a  ser  severa,  la  gran  cantidad  de 

vapor  puede  causar  peligro  de  erosión  o  reducir  la  eficiencia  del  equipo  hidráulico  y 

mecánico. 

 

Figura 3. Efecto de la cavitación en la LGH, 

Fuente: (Tullis, 1989). 

La  cavitación  debe  ser  incluida  como  un  importante  parámetro  de  diseño  que  afecta  la 

selección y operación de bombas, válvulas y otros elementos de control. Este es uno de 

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los  problemas  hidráulicos  que  causan  costosas  reparaciones  y  en  algunos  casos 

consecuencias catastróficas en las estructuras hidráulicas. 

El  número  de  cavitación,  σ,  es el  parámetro  adimensional  para evaluar  la intensidad de 

cavitación en diferentes condiciones de flujo y se calcula a partir de la Ecuación 5. 

𝜍 =

𝑃

1

− 𝑃

𝑣𝑔

Δ𝑃

  

Ecuación 5 

donde: 

P

1

 : Presión justo aguas arriba de la placa de orificio. 

Pvg: Presión de vapor del medio a la temperatura de funcionamiento. 

ΔP: Caída de presión en la placa de orificio. 

 

2.2 

ESTRUCTURAS PARA QUIEBRE DE PRESIÓN: CÁMARAS 

Las  cámaras  de  quiebre  son  estructuras  o  pequeños  depósitos  que  se  colocan 

generalmente  a  lo  largo  de  la  conducción  cuando  las  presión  estática  es  mayor  que  la 

presión de trabajo de la tubería. La cámara de quiebre permite disipar la energía del fluido 

hasta  la  presión  atmosférica  a  la  salida  de  la  cámara.  No  existe  una  metodología  de 

diseño clara para este tipo de estructuras; sin embargo se han propuesto varios modelos, 

que  se detallan a continuación. 

2.2.1  Modelo  USBR  (United  States  Department  of  the  Interior  -  Bureau  of 

Reclamation, 1978) 

2.2.1.1  Generalidades 

El  modelo  propuesto  por  el  USBR  es  conocido  como  cámara  de  aquietamiento  con 

válvula de manguito vertical. El desarrollo de este modelo da inicio durante la década de 

1960,  cuando  el  desarrollo  de  las  ciudades  impulsó  cambios  en  algunos  requerimientos 

hidráulicos de los sistemas de distribución y se hizo necesario encontrar estructuras que 

permitieran  disipar  energía  desde  una  presión  de  entrada  de  450  feet  (137.20  m)  hasta 

una presión de salida cercana a la atmosférica, sin que se presentaran los inconvenientes 

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típicos  de  este  tipo  de  estructuras.  Hasta  ese  momento  se  utilizaban  para  tal  fin  las 

válvulas  de  manguito  con  cono  horizontal  y  orificios,  comúnmente  llamadas  Howell- 

Bunger,  Sin  embargo,  estas  válvulas  presentaban  problemas  de  ruidos,  formación  de 

spray y posible riesgo de cavitación. Es así, como   se inician   investigaciones apoyadas 

en modelos físicos de laboratorio, que llevan a proponer la cámara de aquietamiento con 

válvula  de  manguito  vertical  como  estructura  óptima  de  disipación  de  energía.  Los 

primeros resultados son publicados por Johnson en 1970. 

2.2.1.1.1  Descripción 

La cámara de aquietamiento con válvula de manguito es capaz de disipar hasta 243 mca. 

Una  válvula  de  compuerta  es  usualmente  requerida  inmediatamente  aguas  arriba  de  la 

válvula de manguito para efectos de mantenimiento y operación. 

Estudios de campo y laboratorio han contribuido al desarrollo de criterios de diseño  para 

una  disipación  óptima  de  energía  de  este  tipo  de  cámaras.  La  estructura  general  es  de  

dos tipos, a saber: 

  Disposición Básica (Flujo descendiendo) Esta es la disposición usual, con el flujo 

entrando  por  la  parte  superior  de  la  cámara,  donde  un  codo  lo  direcciona 

verticalmente  hacia  abajo  a  través  de  la  válvula  de  manguito.  La  disipación  de 

energía  ocurre  cuando  el  chorro  vertical  golpea  el  cono  y  luego  el  piso  y  las 

paredes laterales del pozo (Ver Figura 4). 

 

Figura 4. Disposición básica. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

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Otras pérdidas ocurren a través de la fricción de las tuberías, cambios de dirección 

y válvulas, entre otras.  

 

  Disposición Alterna (Flujo ascendiendo): De acuerdo con la superficie del terreno y 

el  perfil  de  la  tubería,  se  propone  otra  configuración,  con  la  tubería  entrando 

cercana  al  fondo  y  descargando  hacia  arriba  a  través  de  la  válvula  de  manguito 

(Ver  Figura  5).  La  disipación  de  energía  ocurre  de  manera  similar  que  en  la 

disposición básica, excepto que el chorro inicial golpea un bafle en lugar del piso. 

Este arreglo tiene la ventaja que el vástago de control de la válvula de manguito no 

está sometido a las altas velocidades del flujo de entrada en la disposición básica, 

permitiendo soportar altas velocidades sin vibración excesiva. 

 

Figura 5. Disposición alterna. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

  Disposición  Horizontal:  Un  tercer  arreglo  fue  desarrollado  por  el  Laboratorio  de 

Hidráulica  del  USBR,  consiste  de  una  válvula  de  manguito  descargando  en  una 

cámara horizontal. El concepto básico de este arreglo se ilustra en la Figura 6, el 

flujo entra en la válvula de la izquierda y se descarga a través del cuerpo perforado 

de  la  válvula  en  la  cámara  de  aquietamiento.  Un  manguito  cilíndrico,  que  se 

encuentra dentro de la válvula, viaja a través de la sección perforada de la válvula, 

controlando  el  flujo  a  través  de  los  orificios,  y  por  lo  tanto,  la  descarga  de  la 

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válvula. El flujo sale por la tubería inferior de la cámara de aquietamiento  (United 

States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1980). 

 

 

Figura 6. Disposición horizontal. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1980). 

 

A  fin  de  mejorar  las  características  de  disipación  de  energía  de  la  cámara  en  el 

arreglo básico, anteriores diseños usaban un pedestal en el piso de la cámara. El 

pedestal  además  sirve  como  soporte  y  anclaje  para  la  válvula.  Experiencias 

recientes  indican  que  este  elemento  puede  causar  erosión  en  la  cámara  y  que 

funciona mejor un revestimiento de acero en el piso y paredes de la cámara. 

2.2.1.1.2  Tipos de Válvula de Manguito Vertical 

Dos tipos de válvulas de manguito vertical son utilizadas para controlar el flujo en este tipo 

de  estructuras. 

  Válvula de Manguito Estándar: Incluye dos diseños básicos, cada uno usando una 

válvula simple (Sin orificios). El manguito puede ir adentro o afuera de la cámara 

de  la  válvula.  La  mayoría  de  las  válvulas  incorporan  un manguito  interno  fijado a 

un  vástago  interno  de  la  válvula  que  se  prolonga  a  través  de  la tubería  vertical  y 

del codo de 90º hasta la rueda de manejo. 

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Turbulencia,  vibración,  ruido  y  cavitación  se  producen  por  la  localización  del 

vástago  en  la  zona  de  altas  velocidades  de  flujo.    Una  modificación  al  diseño 

interno  del  manguito  disminuye  este  problema  al  incrementar  el  diámetro  de  la 

tubería  usada  para  la  curva  de  90º    en  una  proporción  de  área    de  dos  veces  el 

área de la tubería vertical.  

Diseños  posteriores  han  incorporado  un manguito  externo  con  vástago  afuera  de 

la  válvula  y  por  tanto  de  la  zona  de  altas  velocidades  (Ver  Figura  7  y  Figura  8). 

Este  diseño  reduce  notablemente  la  posibilidad  de  cavitación  y  vibración  en  la 

válvula y suprime la necesidad de mayor área en la curva.  

 

Figura 7. Válvula de Manguito estándar. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

 

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Figura 8. Válvula de Manguito estándar. 

Fuente: (Johnson, 1970). 

  Válvula de Manguito con Orificios (Multichorro): Este diseño se utiliza para disipar 

mayor  energía  que  la  permitida  para  la  válvula  de  manguito  estándar.  Estas 

válvulas  incorporan  un  cuerpo  perforado  con  muchos  orificios  o  ranuras  de 

tamaños  y formas  que  dependen  de  las  condiciones  particulares  del  proyecto.  El 

flujo  sale  en  pequeños  chorros  que  se  mezclan  con  el  agua  de  la  cámara, 

disipando la energía con poca vibración, ruido o cavitación (Ver Figura 9 y Figura 

10). 

 

Figura 9. Válvula de manguito con orificios (Multichorro). 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

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Figura 10. Válvula de Manguito con orificios (Multichorro). 

Fuente: (Johnson, 1970) 

2.2.1.1.3  Aplicaciones del Pozo de aquietamiento con válvula de Manguito vertical. 

La capacidad de la cámara de aquietamiento con válvula de manguito vertical para disipar 

presiones altas es utilizada en las siguientes condiciones de diseño: 

  Canal de desfogue: El exceso de energía puede existir a la salida de una tubería 

desde el embalse al canal. 

  Caída: en un canal o tubería puede ser necesario un cambio de pendiente fuerte. 

  Quiebre  de  presión:  En  varios  casos  como  tubería  de  descarga  de  una  bomba, 

sifón o tubería a presión se requiere disipar exceso de energía. 

  Bypass de Central eléctrica. 

 

2.2.1.1.4  Limitaciones 

En el diseño del pozo de aquietamiento con válvula de manguito vertical, se deben tener 

en cuenta las siguientes limitaciones: 

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  Altura y velocidad: La válvulas de manguito estándar han sido para disipar alturas 

de presión de hasta 121.92 mca. Sin embargo, la experiencia indica que el peligro 

por  vibración  excesiva  del  vástago  de  control  de  la  válvula  interna  se  presenta 

cuando en la tubería vertical existen velocidades mayores que 9.14 m/s. 

En la Tabla 1 se  presentan recomendaciones, que son limitaciones flexibles de la 

altura de presión máxima y velocidad en la válvula, para el caudal de diseño. 

Tabla 1. Alturas de presión máxima según tipo de válvula de Manguito. 

Altura de Presión Máxima 

Recomendación 

45.72 mca 

Válvula  de  Manguito  Estándar  con    vástago  interno  y 

diámetro de tubería más grande para la curva. Velocidad 

máxima: 9.14 m/s 

121.92 mca 

Válvula  de  Manguito  estándar  con  vástago  externo. 

Velocidad máxima: 11.58 m/s 

182.88 mca 

Válvula  de  Manguito  con  orificios  y  diámetro  de  tubería 

más grande para la curva.  Velocidad máxima: 11.58 m/s 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

 

Investigaciones  recientes  demuestran  que  con  optimizaciones  a  la  válvula  de 

manguito con orificios, se podrían disipar hasta 243 mca de altura de presión. 

  Calidad del agua 

La válvula de manguito estándar puede tolerar una pequeña cantidad de material 

flotante,  como  hojas,  basuras,  entre  otras,  que  usualmente  se  encuentran  en 

sistemas de irrigación abiertos. En el caso de la válvula de manguito con orificios, 

ésta  debe  ser  usada  solamente  cuando  se  transporte  aguas  claras  con  previo 

cribado o filtro.  

  Limitaciones de Operación 

Para  evitar  problemas  con  burbujas  de  aire  dentro  de  la  tubería  de  llegada  a  la 

cámara  de  aquietamiento,  la  válvula  de  manguito  debería  ser  operada  de  tal 

manera  que  se  garantice  que  la  tubería  funcione  llena.  Esto  se  puede  simplificar 

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con  automatización  de  la  apertura  de  la  válvula.  Cierres  rápidos  de  la  válvula 

deberían evitarse, ya que se pueden presentar fenómenos de transientes o golpe 

de ariete (water hammer), con posibles daños estructurales en la tubería. 

 

2.2.1.1.5  Consideraciones  de  Diseño  para  válvula  de  manguito  con  esquinas  fileteadas 

en la cámara. 

  Condiciones de Entrada: Para minimizar ruido, vibración y cavitación, la válvula de 

manguito estándar con manguito y vástago interno deben tener una entrada en la 

curva    con  área  transversal  mayor,  en  cerca  de  dos  veces  el  área  de  la  tubería 

vertical,  lo  cual  reduce  la  velocidad  en  el  cambio  de  dirección.  Una  reducción  es 

requerida  para  conectar  el  codo  con  la  tubería  vertical.  La  mínima  longitud  de 

reducción es igual a 

ΔD, que es la diferencia de diámetros. 

Una fuerza de empuje en el codo de la tubería resulta por el cambio en la dirección 

del  flujo  y  debe  ser  equilibrada  por  una  fuerza  opuesta  proporcionada  por  un 

adecuado  anclaje.  La  fuerza  de  empuje,  Ft,    tiene  un  componente  vertical,  Fty  y 

otro  horizontal,  Ftx,  como  se  observa  en  la  Figura  11.  El  componente,  Ftx,  debe 

ser  contrarrestado  por  refuerzos  horizontales  adecuados,  tipo  abrazadera, 

mientras el componente, Fty,  por patas fijas cerca de la base de la tubería vertical, 

como se observa en la Figura 12. 

 

Figura 11. Fuerza de empuje en el codo. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

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Figura 12. Refuerzos horizontales y verticales. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

  Diseño  de  Válvula  de  Manguito:  La  válvula  de  manguito  es  a  menudo  diseñada 

para operación manual con adaptación a operación eléctrica. La operación manual 

se hace a través de una rueda de manejo ajustada al vástago. 

Válvula de  Manguito Estándar:  La válvula de manguito usualmente se desliza 

hacia  abajo  en  un  recorrido  de  distancia  igual  a  la  mitad  del  diámetro  de  la 

válvula. El diámetro de la válvula debe ser lo suficientemente grande para que 

permita  la  descarga  del  caudal  de  diseño  cuando  ésta  se  encuentre 

completamente  abierta.  El  cierre  completo  de  la  válvula  debe  cortar  por 

completo  el  flujo.  Un  cono  truncado  de  acero  es  localizado  en  la  parte  baja  

concéntrico  a  la  válvula.  El  cono  proporciona  un  colchón  para  los  bordes 

biselados  del  manguito  y  sella  el  flujo  cuando  la  válvula  está  completamente 

cerrada. 

El diámetro de la válvula, la distancia de recorrido y el ángulo del cono pueden 

variar  de  acuerdo  con  las  condiciones  específicas.  Para  el  control  de 

velocidades de flujo para alturas de presión altas, el diámetro y el cono deben 

ser  de mayor tamaño. 

Válvula  de  manguito  con  orificios:  La  válvula  de  manguito  con  orificios  tiene 

una válvula similar a la válvula de manguito estándar.  

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18 

 

 

Las válvulas han sido probadas con orificios de diferentes  tamaños y formas. 

Sin  embargo,  la  mayoría  de  estos  orificios  son  susceptibles  a  taponamiento. 

Diferentes  pruebas  se  hacen  necesarias  antes  de  encontrar  la  configuración 

óptima de tamaño, forma y distancia desde la superficie de la cámara. 

 

  Parámetros Hidráulicos. 

Altura de Presión: La altura, 

ΔH, a ser disipada por la válvula de manguito es la 

diferencia  de  presión,  igual  a  H

1

 

–  H

2

,  como  se  muestra  en  la  Figura  13.  La 

altura  H

1

,  es  medida  desde  el  centro  de  la  tubería  al  gradiente  hidráulico 

inmediatamente aguas arriba del codo de la  válvula.  La altura, H

2

, es medida 

desde  el  mismo  centro  de  la  tubería  a  la  superficie  del  agua  en  la  cámara. 

Como  la  altura,  H1,  varia  con  el  gradiente  hidráulico  y  el  caudal,  la  peor 

condición debe resultar de un análisis hidráulico. 

 

Figura 13. Altura de presión. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

 

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19 

 

 

Velocidad:  A  fin  de  reducir  la  cavitación  en  la  válvula,  la  velocidad  no  debe 

exceder  9.14 m/s  cuando  se  usa  un manguito  interno  y  11.58 m/s  usando  un 

manguito externo. 

Diámetro  de  la  válvula  de  manguito:  El  diámetro  de  la  tubería  vertical  y  la 

válvula de manguito deben ser determinados para el caudal de diseño máximo 

cuando  exista  la  altura  mínima.  Este  diámetro  no  puede  ser  el  mismo  que  el 

diámetro de la tubería o el codo de la tubería. 

Área  de  orificio  (Válvula  de  manguito  estándar):  La  válvula  de  manguito 

estándar  usualmente  tiene  una  distancia  de  recorrido  igual  a  Dv/2  medido 

desde el fondo de la cámara (Ver Figura 14). 

Por  geometría,  el área del orificio de la válvula se expresa de acuerdo con la 

Ecuación 6. 

𝐴

𝑜

= 0.707 𝑎 𝜋   𝐷

𝑉

− 

𝑎
2

  

 

Ecuación 6 

 

      donde: 

 

      Ao= Área de orificio de la válvula de manguito. 

 

      Dv= Diámetro de la válvula de manguito. 

 

      a= Distancia de recorrido de la válvula de manguito. 

 

 

Figura 14. Orificio de válvula de manguito. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

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20 

 

 

Coeficiente  de  descarga  para  válvula  de  manguito  estándar:  Estudios  de 

laboratorio  indican  que  el  coeficiente  de  descarga  cuando  la  válvula  está 

abierta totalmente es: 

𝐾 =

2 𝑔 (∆𝐻)

𝑉

2

= 1.84 

 

Ecuación 7 

donde: 

ΔH= Diferencia de presión. 

V= Velocidad en la tubería vertical. 

 

La  Figura  15  permite  determinar  el  coeficiente  de  pérdidas,  K,  para  los 

diferentes escenarios de apertura de la válvula. 

 

 

Figura 15. Coeficiente de pérdidas para la válvula de manguito estándar. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

Dimensiones de la cámara: Son determinadas a partir de la Figura 16. 

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21 

 

 

Estudios  del  Laboratorio  de  Hidráulica  del  USBR  han  establecido  que  las 

proporciones de profundidad 

– ancho que han mostrado mejor desempeño son 

de dw:1.5b y dw:2b. 

 

 

Figura 16. Nomograma para cálculo de dimensiones de la cámara de aquietamiento. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

donde,  

Q= Caudal de diseño (cfs). 

Dv= Diámetro de la válvula (feet). 

𝑕′ =

𝑕

𝑆𝑒𝑛 𝜃

 

 

Ecuación 8 

                 

Donde h’ es la distancia diagonal del canal a la superficie del  agua 

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22 

 

 

b= Ancho de la cámara (feet). Como mínimo se requiere 3 feet (0.91 m) para 

acceso. 

d

w

= Profundidad de la cámara (feet). 

 
En  la  Figura  17  se  detallan  cada  una  de  los  elementos  anteriormente 

descritos. 

 

 

Figura 17. Válvula de Manguito típica con cámara de aquietamiento. 

Fuente: (United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation, 1978). 

 

Las  proporciones  de  profundidad 

–  ancho  que  han  mostrado  mejor 

desempeño  son  de  dw:1.5b  y  dw:2b,  son  válidas  para  una  proporción  de 

profundidad aguas abajo de la cámara:  

 

𝑑

𝑛

=

𝑏
2

 

 

Ecuación 9 

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23 

 

 

Después de determinar la profundidad y altura de la cámara con la Figura 16, 

se debe corregir la profundidad, como se muestra a continuación, 

     Si  

𝑑

𝑛

>

𝑏
2

, entonces la profundidad debe ser reducida en

𝑑

𝑛

𝑏
2

 

 

 Si 

𝑑

𝑛

<

𝑏
2

, entonces la profundidad debe ser incrementada en  

𝑏
2

 − 𝑑

𝑛

 

 

Las  dimensiones  de  las  esquinas  fileteadas  son  determinadas  a  partir  de 

relaciones según las Ecuaciones 9 a 12. La nomenclatura puede verse en la 

Figura 17. 

 

𝐶 = 0.100 𝑏 

 

                                     Ecuación 10 

𝐽 = 0.210 𝑏 

 

Ecuación 11 

𝐹 = 0.417 𝑏 

 

Ecuación 12 

𝑍 = 0.715 

 

Ecuación 13 

 

Platina de Acero: Para prevenir peligro de cavitación o erosión en el piso y las 

paredes  de  la  cámara  de  aquietamiento,  éstos  deben  ser  cubiertos  por  una 

lámina  de  acero  inoxidable  de  ½  pulgada  de  espesor;  las  paredes  deben 

cubrirse hasta una altura de 1.5 Dv. 

La platina de acero debe ser soldada en las uniones y anclada al concreto con 

pernos  de  acero  inoxidable.  Para  evitar  peligro  de  acción  galvánica,  se  debe 

prevenir el contacto entre el acero inoxidable y el refuerzo de acero.  

 

2.2.2  Modelo Universidad de Medellín 

Este  modelo  fue  desarrollado  por  Jesús  Alejandro  Londoño  y  José  María  Estrada  en 

1987,  en  la  Universidad  Medellín.  La  experimentación  se  realizó  sobre  un  modelo 

construido  en  el  Laboratorio  de  Hidráulica  basado  en  similitud  geométrica  y  similitud  de 

Froude.  Esta  última  aplicada  al  caudal,  la  presión  y  las  velocidades.  Se  evaluaron  seis 

tanques de quiebre de presión sobre el mismo modelo (Corcho Romero & Duque Serna, 

2005). 

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24 

 

 

2.2.2.1  Descripción (Camargo Gómez, 1999) 

 

En el modelo propuesto, la disipación de energía se da por dos flautas concéntricas en la 

tubería de descarga. Este dispositivo ha presentado un buen funcionamiento, y entidades 

como la  Federación Nacional de Cafeteros lo han utilizado con éxito. 

El modelo propuesto se muestra en la Figura 18. 

 

Figura 18. Modelo cámara de quiebre 

– Universidad Medellín. 

Fuente: (Corcho Romero & Duque Serna, 2005). 

 

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25 

 

 

donde, 

L: Longitud total interior del tanque (m). 

a: Ancho total interior del tanque (m). 

b: Distancia de la pared de entrada al vertedero interior (m). 

c: Distancia del vertedero interior a la pared de salida (m). 

H: Altura total interior del tanque (m). 

h: Altura del vertedero interior (m). 

p: Profundidad a la cual debe permanecer el agua para un adecuado funcionamiento. Se 

logra mediante estrangulación de la válvula de salida (m). 

e: Espesor del vertedero interior (m). 

Di: Diámetro de la tubería interior del dispositivo de entrada (pulg.). 

De: Diámetro de la tubería exterior del dispositivo de entrada (pulg.). 

Li: Longitud de la tubería interior del dispositivo de entrada (m). 

Le: Longitud de la tubería exterior del dispositivo de entrada (m). 

Ni: Número de perforaciones que debe tener el tubo interior del dispositivo de entrada. 

Ne: Número de perforaciones que debe tener el tubo exterior del dispositivo de entrada. 

Si: Longitud en la cual se deben distribuir las perforaciones del tubo interior del dispositivo 

de entrada (m). 

Se:  Longitud  en  la  cual  se  deben  distribuir  las  perforaciones  del  tubo  exterior  del 

dispositivo de entrada (m). 

θi: Diámetro de las perforaciones del tubo interior del dispositivo de entrada (pulg.). 

θe: Diámetro de las perforaciones del tubo exterior del dispositivo de entrada (pulg.). 

Ds: Diámetro de la tubería de salida (pulg.). 

Dr. Diámetro de la tubería de rebose (pulg.). 

Hr: Altura de la tubería de rebose (m). 

 

Dentro  de  los  elementos  importantes  para  el  buen  funcionamiento  de  un  tanque  de 

quiebre de presión se tienen los tubos perforados,  que  son los encargados de  disipar  la 

energía.  El tubo perforado interno, debe en todos los casos poseer un tapón en la parte 

inferior, separado 5 cm del fondo para que exista una distribución uniforme del caudal a 

través de los orificios. Esta separación junto con las dimensiones del flotador determina la 

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26 

 

 

longitud Li del niple interior de entrada. El tubo perforado externo, debe poseer en el fondo 

un  tapón  o  preferiblemente  una  platina,  a  fin  de  evitar  la  erosión  que  podría  causar,  las 

altas  turbulencias  y  velocidades  que  se  presentan  en  ese  sitio.  En  cuanto  a  las 

perforaciones  de  ambos  tubos  es  importante  aclarar  que  los  diámetros  recomendados 

pueden  ser  reemplazados  por  mayores  o  menores  siempre  y  cuando  se  conserve  la 

misma  área  distribuida  en  igual  longitud.  Además  es  importante  que  sea  concéntrico  al 

primero para que se pueda formar el colchón en forma de anillo. 

 En  la  tubería  de  salida  del  tanque  es  necesario  colocar  una  válvula  de  contención, que 

será  la  encargada  de  mantener  el  colchón  de  agua  en  las  dos  cámaras,  evitando  la 

inclusión  de  aire  en  la  conducción.  La  calibración  se  hace  en  las  horas  de  máximo 

consumo hasta obtener la altura de agua recomendada. Es necesario observar, al menos 

durante  media  hora  el  nivel  del  agua  a  fin  de  verificar  que  se  ha  estabilizado 

completamente. 

En  caso  que  el  diseñador  determine  el  uso  de  una  válvula  de  flotador  para  restringir  el 

flujo,  en  aquellas  horas  donde  no  se  presente  mucho  consumo  en  la  red,  es  necesario 

conocer de antemano el tipo de flotador que usará, para que de esta manera se determine 

la altura de la tapa. 

 En la cámara de entrada es necesario ubicar una tapa de mínimo 0,5 x 0,5 m para darle 

mantenimiento  al  tanque.  Es  importante  proveer  al  tanque  de  desagües  en  ambas 

cámaras para practicar limpieza. 

 

2.2.2.2  Dimensiones propuestas (Camargo Gómez, 1999) 

El objetivo inicial de este estudio era obtener parámetros de diseño para los tanques de 

quiebre de presión, de tal forma que cualquier diseñador pueda obtener su propio tanque, 

para las condiciones que su caso requiera con base en las recomendaciones, parámetros, 

ecuaciones o cualquier otro tipo de información que se le suministre. 

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27 

 

 

Sin embargo, los resultados obtenidos de la experimentación, no permitieron generar una 

formulación  precisa  que  permita  hacer  diseños  específicos,  para  las  diferentes 

condiciones de caudal y presión que en cada caso  se puedan tener, pues no es posible 

relacionar  las  diferentes  variables  con  las  que  se  han  obtenido  resultados  favorables  y 

obtener  unas  recomendaciones  únicas,  aplicables  a  todas  las  situaciones,  debido  a  que 

no existe ninguna relación directa entre ellas. 

Por  lo  tanto,  los  autores  de  este  trabajo  de  grado,  optaron  por  tomar  las  dimensiones  y 

condiciones que presentaron resultados satisfactorios y realizar varios diseños de tanques 

que  fueran  óptimos  tanto  en  funcionamiento  como  en  economía,  y  a  los  cuales  se  les 

pueda  especificar  las  condiciones  en  que  debe  trabajar,  de  tal  forma  que  el  diseñador, 

seleccione  para  cada  necesidad  el  que  mejor  se  adapte  a  sus  requerimientos.    Las  

dimensiones  típicas  se  determinan  con  base  en  el  caudal  y  la  presión  de  servicio  en  el 

punto y se muestran en la Tabla 2.  

Tabla 2. Características de  tanques de quiebre de presión. 

TANQUE 

Caudal Máximo (L/S) 

42 

25 

17 

7.50 

4.50 

3.00 

Altura de Presión Máxima (mca.) 

140 

140 

140 

70 

70 

L (m) 

1.40 

1.20 

1.0 

0.70 

0.60 

0.50 

a (m) 

1.0 

1.0 

1.0 

0.50 

0.50 

0.50 

b (m) 

0.80 

0.60 

0.40 

0.40 

0.30 

0.20 

c (m) 

0.50 

0.50 

0.50 

0.25 

0.25 

0.25 

H (m) 

1.20 

1.20 

1.10 

0.60 

0.60 

0.50 

h (m) 

0.40 

0.40 

0.40 

0.20 

0.20 

0.20 

P (m) 

0.80 

0.80 

0.70 

0.40 

0.40 

0.35 

e (m) 

0.10 

0.10 

0.10 

0.05 

0.05 

0.05 

Di (pulg.) 

De (pulg.) 

3    

Li (m) 

0.675  0.675  0.575  0.375  0.375  0.325 

Le (m) 

1.00 

1.00 

0.90 

0.50 

0.50 

0.45 

Ni 

36 

35 

38 

36 

35 

38 

Si (m) 

0.30 

0.50 

0.24  15.00 

0.25 

0.12 

Se (m) 

0.40 

0.50 

0.40  20.00 

0.25 

0.20 

θ

 i (pulg.) 

1.50 

1.50 

1.00 

0.75 

0.75 

0.50 

θ

 e (pulg.) 

1.50 

1.50 

1.00 

0.75 

0.75 

0.50 

Fuente: (Corcho Romero & Duque Serna, 2005). 

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28 

 

 

Tabla 2. (Continuación) Características de  tanques de quiebre de presión. 

TANQUE 

Ds (pulg.) 

Dr (pulg.) 

Hr (pulg.) 

0.90 

0.90 

0.80 

0.50 

0.50 

0.45 

Fuente: (Corcho Romero & Duque Serna, 2005). 

 

2.2.3  Modelos Empíricos 

 
Las  cámaras  de  quiebre  hoy  en  día,  son  utilizadas  en  muchos  de  los  acueductos  de 

Colombia, en parte por la geografía quebrada y también por la creencia de diseño errónea 

que  entre  más  alta  se  coloque  la  captación  es  mejor,  lo  cual  hace  que  sean  necesarias 

varias cámaras de quiebre a lo largo de la aducción. 

Son diversos los modelos que se han diseñado e instalado en Colombia, pero la mayoría 

tienen en común, los siguientes elementos: 

1.  Caja  para  válvula  de  cierre  a  la  entrada  y  entrada  y  salida  de  la  cámara  de 

quiebre. Esta puede ser en mampostería, con tapa de acceso en alfajor. 

2.  Válvula de flotador para control del caudal de entrada, además de inducir mayores 

pérdidas al sistema, 

3.  Cámara  de  turbulencia  y  cámara  de  aguas  tranquilas,  separadas  por  un  tabique 

interior a media altura. 

4.  Accesorios de entrada, salida, rebose y limpieza. 

5.  Tapas de Acceso. 

Un modelo típico, se muestra en la Figura 19 y la Figura 20. 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

29 

 

 

 

Figura 19. Modelo cámara de quiebre 

– Empírico. 

Fuente: Autor. 

 

 

 

 

 

PLANTA

1

1

1

ESCALA:1:125

1

1

1

ESCALA:1:125

CORTE LONGITUDINAL

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

30 

 

 

 

Figura 20. Modelo cámara de quiebre 

– Empírico (2). 

Fuente: Autor. 

La  numeración  de  los  accesorios  de  conexión  de  las  cámaras  anteriormente  expuestas, 

se detallan en la Tabla 3. 

Tabla 3. Accesorios cámaras de quiebre empíricas. 

No. 

DESCRIPCIÓN 

Adaptador macho PVC 0 

Registro ERxER 

Niple HG ERxER L=120 mm 

Unión universal HG 

Pasamuro HG ERxER=350 mm Z=175 mm 

Válvula de flotador CLASE 125-175 PSI 

Niples PVC L=250 mm 

Fuente: Autor. 

PLANTA-CUBIERTA TAPAS

1

1

1

ESCALA:1:125

CORTE TRANSVERSAL

1

1

2

ESCALA:1:125

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

31 

 

 

Tabla 3. (Continuación) Accesorios cámaras de quiebre empíricas. 

No. 

DESCRIPCIÓN 

Adaptador macho PVC 0 

Registro ERxER 

Niple HG ERxER L=120 mm 

Unión universal HG 

Pasamuro HG ERxER=350 mm Z=175 mm 

Válvula de flotador CLASE 125-175 PSI 

Niples PVC L=250 mm 

Codo PVC 

Niple PVC L=500 mm 

10 

Pasamuro HG ELXER L=250 mm 

1 1 

Registro ERXER 

12 

Niple HG ERXER L=120mm 

13 

Adaptador hembra PVC 

Fuente: Autor. 

2.3 

ESTRUCTURAS PARA REDUCCIÓN DE PRESIÓN: VÁLVULAS Y PLATINAS 

 

2.3.1  Válvulas Reductoras de Presión 

Las válvulas son un elemento muy importante en el diseño de tuberías. Son usadas para 

regular el flujo y la presión, proteger las tuberías y bombas de sobrepresiones, ayudar a 

prevenir  fenómenos  de  transientes,  prevenir  contraflujos  en  las  bombas,  remover  aire, 

entre  otras  varias  funciones.  En  general,  pueden  clasificarse  en  cuatro  categorías,  a 

saber:  válvulas  de  control,  válvulas  reguladoras  de  presión,  válvulas  de  contención  y 

válvulas  de  control  de  aire.  Como  se  observa,  las  válvulas  son  muy  útiles  dentro  de  un 

sistema de abastecimiento, pero si no se seleccionan y operan  adecuadamente, pueden 

causar muchos problemas.  

2.3.1.1  Descripción (Mateos de Vicente, 2006) 

Las válvulas reductoras de presión (VRP) son aquellas válvulas que reducen la presión en 

un  punto  de  la  red,  mediante  una  regulación  del  paso  de  caudal.  Cuando  la  presión  de 

salida sea la adecuada, se mantiene esa presión abriéndose automáticamente la válvula, 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

32 

 

 

cuando  el  caudal  aumenta  y  cerrándose  cuando  éste  disminuye.  Para  un  caudal 

constante la válvula queda estabilizada en una posición. 

Básicamente, las válvulas reductoras pueden clasificarse en dos grupos: 

  Las  que  proporcionan  una  presión  constante  a  la  salida,  calibrada  previamente, 

con  independencia  de  las  fluctuaciones  en  la  presión  aguas  arriba.  Es  decir,  la 

presión a la salida de la válvula es siempre la misma. 

  Las que regulan una presión de salida en función proporcional a la presión aguas 

arriba.  

Conviene aclarar que las válvulas reductoras de presión, a veces se  les  llaman  válvulas 

reguladoras  de  presión.  Esta  denominación  puede  llevar  a  confusión,  pues  válvulas 

reguladoras son las que mantienen una presión aguas arriba, o las que regulan la presión 

manteniéndolas por debajo de un máximo. Así, es mejor que se identifiquen por alguno de 

los  siguientes  nombres:  válvulas  reductoras  de  presión,  válvulas  reguladoras  reductoras 

de presión, y válvulas mono reductoras. 

Las  válvulas,  dependiendo  a  la  forma  de  operarlas,  se  pueden  clasificar  en  válvulas 

reductoras  de  acción  directa  y  válvulas  reductoras  de  mando  por  piloto  externo.  Ambas 

pueden ser de pistón o diafragma. 

2.3.1.2  Partes VRP (Corcho Romero & Duque Serna, 2005) 

2.3.1.2.1  Válvula reductora 

Está constituida por los siguientes elementos (Ver Figura 21)

  Cuerpo: Parte mayor de la válvula en cuyo interior está colocado el conjunto móvil. 

  Conjunto  móvil:  Consta  de  un  eje  o  vástago  alrededor  del  cual  está  montado  un 

émbolo doble, un diafragma y un resorte. También contiene los anillos de sellado. 

  Cubierta: Instalada sobre el cuerpo unida a éste mediante pernos. 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

33 

 

 

2.3.1.2.2  Válvula Piloto 

Censa continuamente la presión aguas abajo de la válvula principal  y la  mantiene en un 

valor constante.  Se encuentra ubicada aguas abajo de la válvula principal. 

2.3.1.2.3  Válvula de Aguja 

Evita  los  golpes  de  ariete  generados  por  el  cierre  rápido  de  válvulas  de  control.  Esta 

válvula  controla  la  velocidad  en  válvulas  de  control  hidráulico.    Se  encuentra  ubicada 

aguas arriba de de la válvula principal. 

2.3.1.2.4  Accesorios Opcionales 

Para el correcto funcionamiento de las VRP, se hacen necesarios accesorios, tales como, 

filtros, ventosas, indicador de alza en la válvula principal, entre otros. 

 

2.3.1.3  Funcionamiento (Corcho Romero & Duque Serna, 2005) 

 
La válvula reductora de presión está controlada por una válvula piloto (control reductor de 

presión).  El  control  contiene  un  resorte  ajustable  el  cual  se  coloca  en  un  punto  que 

garantice una presión constante de descarga de acuerdo con la presión de salida. 

Cuando  la  presión  de  salida  comienza  a  superar  el  punto  de  presión  establecido,  el 

control  se  mueve  hacia  la  posición  de  cerrado,  estrangulando  el  flujo  por    el  canal  que 

comunica  el  control  con  la  válvula  principal,  lo  que  hace  incrementar  la  presión  en  la 

cámara  superior  de  la  válvula,  cerrándose  ésta  un  poco  hasta  encontrar  el  punto  que 

garantice la presión preseleccionada para la salida. 

Si  la  presión  de  salida  disminuye  por  debajo  del  límite,  el  control  se  mueve  hacia  la 

posición de abierta aumentando el flujo por el canal que comunica el control con la válvula 

principal,  lo  que  origina  una  pérdida  de  presión  en  la  cámara  superior  de  la  válvula 

principal, abriéndose ésta un poco para mantener la presión de salida constante igual a la 

preseleccionada. 

La  válvula  de  cierre  está  regulada  por  una  válvula  de  aguja  ajustable  y  la  velocidad  de 

apertura está regulada por un control de flujo ajustable. 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

34 

 

 

 

Figura 21. Sección y lista de componente de VRP 

– Acción directa. 

Fuente: (Mateos de Vicente, 2006). 

2.3.1.4  Diseño VRP 

 
El  diseño  se  basa  en  seleccionar  el  diámetro  de  la  VRP,  verificando  condiciones  de 

cavitación y velocidad máxima permitida. En la actualidad, se han desarrollo gráficas que 

permiten  simplificar  la  verificación  del  efecto  de  la  cavitación,  por  lo  que  un  análisis 

extensivo no se hace necesario. Para tal efecto, se recomienda, estudiar este fenómeno 

en (Tullis, 1989). 

 

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35 

 

 

Como datos de entrada se requieren: 

P

1

: Presión a la entrada de la válvula 

P

2

: Presión necesaria a la salida de la válvula (reducida) 

V

máx

: Velocidad máxima en la válvula, generalmente es suministrada por el fabricante. 

Q

min

: Caudal mínimo normal  

Q

máx

: Caudal máximo normal. 

Entre los pasos a seguir para el dimensionamiento de la válvula principal se tienen: 

  Cálculo del tamaño según velocidad 

𝐷

𝑚í𝑛

=  

𝑄

𝑚á𝑥

𝑉

𝑚á𝑥

× 0.64 

 

Ecuación 14 

donde: 

Q

máx

: Caudal Máximo normal (GPM) 

V

máx

: Velocidad máxima en la válvula (fps) 

 

Tener en cuenta que la velocidad máxima debe ser menor a los valores máximos 

recomendados, según el material de la válvula, como se ve en la Tabla 4. 

Tabla 4. Valores velocidad máxima recomendados en válvulas. 

MATERIAL 

Vmáx 

Hierro 

18 fps 

Acero 

25 fps 

Fuente: (Mateos de Vicente, 2006). 

  Cálculo del tamaño según Cv mínimo 

El  factor  Cv  es  el  caudal  por  unidad  de  tiempo  que  fluye  a  través  de  la  válvula 

cuando la pérdida de presión es unitaria. En el sistema internacional es el número 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

36 

 

 

de litros por segundo de agua a los 15ºC que fluye a través de la válvula cuando la 

diferencia entre la presión de entrada y la presión de salida es de un kilo pascal. 

𝐶𝑉

𝑚í𝑛

=  

𝑄

𝑚á𝑥

𝑃1

𝑚í𝑛

−  𝑃2

𝑚á𝑥

 

 

Ecuación 15 

donde: 

Q

máx

: Caudal Máximo normal (GPM). 

P1

mín

: Presión de  entrada de la válvula (psi). 

P2

máx

: Presión de salida de la válvula (psi). 

Con el valor de Cv min, determinar el diámetro, según Tabla 5. 

 

Tabla 5. Valores Cv máximo  recomendados en válvulas. 

Diámetro (in) 

10 

CV 

124 

220 

460 

840 

1250 

Fuente: (Mateos de Vicente, 2006). 

  Seleccionar  el  diámetro  que  cumpla  con  Cv  mín  y  que  no  exceda  la  velocidad 

correspondiente  al  material  escogido,  es  decir, escoger  el  mayor  diámetro  de  los 

cálculos según Cv mín y velocidad máxima. 

 

2.3.1.5  Estación Reductora de Presión (Corcho Romero & Duque Serna, 2005) 

 
Para  un  correcto  funcionamiento  de  las  válvulas  reductoras  de  presión,  estás  necesitan 

otras  válvulas  y  accesorios  que  deben  instalarse  en  una  cámara,  que  se  conoce  como 

estación reductora de presión.  

Para  efectos  de  mantenimiento,  se  instalan  dos  válvulas  de  cierre,  pueden  ser  de 

compuerta  o  mariposa,  una  aguas  arriba  y  otra  aguas  abajo  de  la  válvula  reductora  de 

presión. Estas válvulas son del  mismo diámetro de la VRP. Además deben proveerse dos 

llaves  de  incorporación  para  la  instalación  de  manómetros  aguas  arriba  y  aguas  abajo 

para el control de presiones. 

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37 

 

 

Es aconsejable instalar un filtro colador aguas arriba de la VRP, aún cuando el agua sea 

filtrada,  pues  siempre  hay  arrastre  de  partículas  que  ocasionan  desgaste  a  la  válvula  y 

dificultan su correcto funcionamiento (Ver Figura 22)

Puede  ocurrir  que  las  variaciones  de  consumo  sean  tan  grandes  que  no  sea  posible 

obtener  una  válvula  que  satisfaga  las  necesidades  de  caudal  mínimo  y  máximo,  o  que 

exista  gran  incertidumbre  en  estos  valores,  que  obliguen  a  emplear  una  estación 

reductora  de  presión  con  dos  válvulas  en  paralelo,  una  de  diámetro  mayor  para  los 

caudales mayores y otra de menor diámetro para los caudales menores. 

La  instalación  de  dos  VRP  en  paralelo  permite  conservar  el  servicio  en  forma 

ininterrumpida cuando una de ellas se encuentre en operación.  

Además,  puede  presentarse  que  la  presión  de  entrada  sea  muy  grande  por  lo  que  es 

necesario instalar dos válvulas reductoras en serie. 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

38 

 

 

 

Figura 22. Modelo de estación reguladora de presión. 

Fuente: (Corcho Romero & Duque Serna, 2005). 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

39 

 

 

2.3.1.6  Innovaciones en VRP 

Las  válvulas  reductoras  de  presión  sólo  pueden  reducir  una  parte  de  la  presión  de 

entrada; generalmente,   la  presión  de  salida  es  la  tercer  parte  de  la  presión  de  entrada, 

así se garantiza el buen funcionamiento de la válvula,  dentro de los límites de velocidad 

máxima  y    que  no  se  presente  cavitación  o  en  su  defecto  cavitación  moderada.  Esta 

restricción ha llevado a la creación de estructuras complementarias, como es el caso de 

jaulas  anticavitatorias,  que  entre  otras  empresas  las  comercializa  TECVAL

®

.  Estos 

elementos    van  dentro  de  la  válvula  reductora  de  presión  y  consta  de  un  cuerpo  con 

orificios, que se determinan de acuerdo con las características propias del proyecto (Ver 

Figura 23)

 

Figura 23. Jaula Anticavitatoria. 

Fuente: TECVAL

®

2.3.2  Placa de Orificios 

Las  placas  de  orificios  son  disipadores  eficientes  de  energía  que  han  sido  usados 

principalmente  en  proyectos  hidroeléctricos  y  que  consisten  en  variaciones  súbitas  de  la 

sección  transversal.  Estos  elementos  han  sido  usados  debido  a  su  simplicidad, 

construcción conveniente y alto porcentaje de disipación (Ver  Figura 24). 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

40 

 

 

 

Figura 24. Placa de orificios. 

Fuente: (Jianhua, Wanzheng, & Qi, 2010).

 

2.3.2.1  Descripción 

La  placa  de  orificios  es  básicamente  una  lámina  plana  circular  con  un  número 

determinado de orificios. Los parámetros a tener en cuenta son el diámetro de los orificios 

(d),  diámetro  de  la  tubería  (D),  espesor  de  la  placa  de  orificio  (T),  la  longitud  de 

recirculación y el número de Reynolds (Re) (Ver Figura 25). 

 

Figura 25. Flujo a través de la placa de orificios. 

Fuente: (Jianhua, Wanzheng, & Qi, 2010).

 

2.3.2.2  Diseño Placa de Orificios 

Cuando  se  coloca  una  placa  de  orificio  en  una  tubería,  al  igual  que  cualquier  otro 

obstáculo, se produce una disminución local de la presión.  

Un procedimiento de diseño fue propuesto por  Jianhua, Wanzheng & Qi en 2010  como 

función de la proporción de diámetros (d/D), proporción del espesor de la placa (T/D) y del 

número  de  Reynolds  de  aproximación.  Sin  embargo,  en  esta  metodología  el  análisis  de 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

41 

 

 

cavitación se hace muy ligero, por lo que el diseño propuesto en se realizará con base en 

Tullis (1989). 

La cavitación produce ruido, fluctuaciones de la presión, erosión, y en avanzados estados 

de  la  misma,  puede  reducir  considerablemente  la  efectividad  de  la  placa  de  orificio.  El 

nivel  aceptable  de  cavitación  para  una  válvula  o  placa  de  orificio,  varía  con  el  tipo  de 

elemento. Por ejemplo, para una válvula de control que funcione de manera  continua, lo 

más recomendable es seleccionarla de forma que el nivel de cavitación sea el mínimo, de 

forma que la erosión y el ruido y vibraciones sean aceptables. 

 

2.3.2.2.1  Límites de cavitación 

 

Una  solución  analítica  al  problema  de  cavitación,  no  ha  sido  aún  encontrado.  Así,  los 

esfuerzos  se  centran  en  experimentos  de  laboratorio  que  permitan  encontrar  relaciones 

que determinen los diferentes niveles de cavitación. 

A fin de tener una información adecuada para el análisis y diseño de placas de orificio y 

válvulas, es necesario identificar y proporcionar datos experimentales para varios niveles 

de la intensidad de cavitación. En principio se pueden definir  cinco niveles de cavitación 

que representan las posibles intensidades de cavitación: 

  Cavitación Incipiente: Se define como la condición del flujo en la que la cavitación 

comienza  a  ser  detectable.  Usualmente  se  identifica  con  sonidos  suaves  e 

intermitentes  que  pueden  ser  detectados  por  el  oído  humano  o  mediante  la 

asistencia de hidrófonos o acelerómetros. 

  Cavitación contante o Crítica: Este segundo límite de cavitación se define como la 

situación  del  flujo  en  la  que  aparece  cavitación  continúa  en  un  grado  moderado.  

Puede identificarse por medios de detección sonora (se caracteriza por ruidos de 

intensidad inferior a 80 dB). La cavitación crítica no se considera generalmente un 

problema y no debería producir daño o reducir la vida de servicio de la válvula. 

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42 

 

 

La  cavitación  crítica  se  debe  considerar  como  el  valor  límite  de  diseño  para 

válvulas o elementos que requieren un funcionamiento continúo, en medios donde 

algo  de  ruido  de  cavitación  se  puede  tolerar,  pero  fuertes  ruidos,  intensas 

vibraciones o daños quieren ser evitados. 

  Cavitación  con  daños  incipientes:  Se  caracteriza,  como  su  nombre  indica,  por  el 

comienzo de la erosión de los contornos de la válvula. Este nivel de cavitación no 

es estable y es la antesala de la situación de bloqueo del caudal. La característica 

principal  de  este  nivel,  aparte  de  los  daños  físicos,  es  la  disminución  del  caudal 

debido a la reducción de la sección de paso, ocupada por las burbujas gaseosas. 

  Cavitación  con  bloqueo:  En  este  nivel  extremo  se  bloquea  el  caudal  circulante 

debido a la obstaculización provocada por las burbujas. Llegados a este extremo, 

el caudal no aumentará aunque se reduzca la presión a la salida de la válvula. 

  Máximo nivel de ruido y vibración 

Para  el  cálculo  y  diseño  de  placas  de  orificio  se  toleran  los  tres  primeros  niveles.  La 

intensidad de cavitación incipiente consiste en ligeros e intermitentes sonidos de burbujas 

estallando que son ligeramente perceptibles. La cavitación incipiente es por tanto un límite 

de  diseño  muy  conservador  y  su  uso  como  límite  de  diseño  se  recomienda  para  casos 

extremos cuando el ruido de la cavitación no es tolerable. 

 

2.3.2.2.2  Metodología de Diseño Placa de Orificios 

 

La  metodología  propuesta  consiste  básicamente  en  dos  pasos:  establecer  la  condición 

límite de cavitación en la placa de orificio y  luego estimar el área de orificios, a partir de 

datos  experimentales.    Los  datos  experimentales  se  pueden  obtener  a  través  de  tres 

recursos: 

  Pruebas  de  laboratorio  en  la  válvula  real  que  reproduzcan  condiciones  similares 

del sistema. 

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43 

 

 

  Pruebas en una válvula modelo. 

  Datos provenientes de literatura. 

En  esta  metodología  se  trabaja  con  datos  provenientes  de  literatura,  que  son  ajustados 

por efecto de escala. 

Como datos de entrada se necesitan: 

  Caudal de diseño, Q. 

  Presión de entrada, Pu. 

  Presión requerida aguas abajo, Pd. 

  Diámetro de la tubería, d. 

  Presión de vapor, Pvg. 

  Presión de vapor de referencia, Pvgo. 

Los pasos a seguir se enumeran a continuación. 

1.  Establecer condición límite de cavitación. 

2.  Calcular velocidad como Q/A. 

3.  Calcular 

σ (Ecuación 5). 

4.  Calcular coeficiente de descarga, Cd. 

𝐶

𝑑

=

𝑉

 

2   𝑃

𝑢

−𝑃

𝑑

 

𝜌

+𝑉

2

 

  

Ecuación 16 

5.  Calcular índice de cavitación de referencia. 

σ

i

= Cavitación incipiente.  

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44 

 

 

σ

c

= Cavitación Crítica. 

σ

id

= Cavitación daño incipiente. 

σ

ch

= Cavitación obstrucción incipiente. 

 

𝜍

𝑖

= 0.62 + 4.4𝐶

𝑑

+ 6.6 𝐶

𝑑

2

 + 1.3 𝐶

𝑑

3

 

Ecuación 17 

𝜍

𝑐

= 0.78 + 1.0 𝐶

𝑑

+ 7.9 𝐶

𝑑

2

 + 3.2 𝐶

𝑑

3

 

Ecuación 18 

𝜍

𝑖𝑑

= −0.11 + 6.5 𝐶

𝑑

+ 7.6 𝐶

𝑑

2

 + 8.6 𝐶

𝑑

3

 

Ecuación 19 

𝜍

𝑐𝑕

= 0.15 + 1.2 𝐶

𝑑

− 0.31 𝐶

𝑑

2

 + 3.3 𝐶

𝑑

3

 

Ecuación 20 

6.  Leer  presión  de  referencia  aguas  arriba,  Puo,  de  los  valores  del  ensayo  de 

referencia, generalmente 90 psi. 

7.  Calcular presión aguas abajo para sistema de referencia, Pdo. 

𝑃

𝑑𝑜

=

𝜍  × 𝑃

𝑢𝑜

+ 𝑃

𝑢𝑔𝑜

1 + 𝜍

  

Ecuación 21 

8.  Calcular efecto de escala por tamaño, SSE. 

𝑆𝑆𝐸 =  

𝐷

𝑑

 

𝑌

 

Ecuación 22 

donde, 

K: Coeficiente de pérdida de carga. 

𝐾 =

1

𝐶

𝑑

2

− 1 

Ecuación 23 

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45 

 

 

𝑌 = 0.3 𝐾

𝑖

−0.25

 

Ecuación 24 

Para cavitación de daño incipiente, 

σ

id

, SSE=1. 

9.  Calcular exponente para ajuste por efectos de escala, X. 

Para cavitación de daño incipiente, 

σ

id

, X=0.19. 

Para otros valores, consultar (Tullis, 1989). 

 

10. Calcular efecto de escala por presión, PSE. 

𝑃𝑆𝐸 =

 𝑃

𝑢

−  𝑃

𝑣𝑔

𝑃

𝑢𝑜

− 𝑃

𝑣𝑔𝑜

  

Ecuación 25 

 

11. Calcular índice de cavitación de referencia ajustado, (Escogido en el paso 5). 

𝜍

𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡 .

= 𝑃𝑆𝐸  × 𝑆𝑆𝐸  × 𝜍

𝑖,𝑐,𝑐𝑕

 

Ecuación 26 

 

12.  Relación de diámetros, do/D. 

𝑑𝑜

𝐷

= 0.193 + 2.34 𝐶

𝑑

− 3.94 𝐶

𝑑

2

 + 2.73 𝐶

𝑑

3

 

Ecuación 27 

 

13. Diámetro del Orificio (do). 

𝑑𝑜 =

𝑑𝑜

𝐷

× 𝐷 

Ecuación 28 

 

14. Área del orificio, Ao. 

𝐴𝑜 =

𝜋
4

× 𝑑𝑜

2

 

Ecuación 29 

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46 

 

 

15. Diámetro del agujero para la platina (supuesto), da. 

 

16. Numero de Orificios. 

#𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠 =

 4 𝐴𝑜

𝜋 𝑑𝑎

2

 

Ecuación 30 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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47 

 

 

CRITERIOS DE SELECCIÓN: ESTRUCTURAS DE QUIEBRE Y/O REDUCCIÓN DE 

PRESIÓN 

 

Las estructuras de quiebre o reducción de presión se utilizan cuando por las condiciones 

topográficas  y  de  operación,  se  tiene  una  presión  mayor  a  la  presión  de  trabajo  de  la 

tubería,  o  por  condiciones  de  servicio,  como  en  redes  de  distribución,  cuando  existe  un 

límite de la presión de entrega a las edificaciones. 

Pero hoy en día  estas estructuras se están utilizando por otras situaciones, que se deben 

más a malas prácticas de ingeniería, a saber, 

  Por ahorro en el costo de las tuberías, se están usando tuberías con presiones de 

trabajo  bajas.  El  reglamento  Técnico  del  Sector  de  Agua  Potable  y  Saneamiento 

Básico,  RAS 

–  2000,  deja  a  juicio  del  diseñador  la  relación  diámetro  espesor  a 

utilizar. Sin embargo para el caso de aducciones y conducciones, se debería  fijar 

como presión de trabajo mínima de 100 mca en zonas de pendientes abruptas. 

  Las captaciones se están localizando muy altas y alejadas del sitio de tratamiento 

y  distribución.  Si  bien  con  esta  condición  se  quiere  conseguir  agua  de  mejor 

calidad,  debe  existir  un  equilibrio  en  la  relación  costo  -  beneficio.  Hay  que  tener 

presente  que  entre  más  arriba  se  ubique  la  captación,  hacia  la  parte  alta  de  la 

cuenca,  menos  cantidad  de  agua  se  puede  captar.    Además,  aguas  de  mediana 

calidad pueden mejorarse con una planta de tratamiento.   

Si se tienen en cuenta las anteriores observaciones, muy seguramente serían menos las 

estructuras a implementar a  lo largo del país.   

En  la  práctica,  las  cámaras  de  quiebre  se  utilizan  generalmente  en  conducciones;  las 

válvulas  reductoras  de  presión  en  aducciones,  conducciones  y  redes  de  distribución. 

Mientras  las  placas  de  orificios  poco  se  utilizan,  su  uso  se  da  más  en  conducciones  de 

diámetros grandes para reducir presión. 

Para  decidir  qué  estructura  es  mejor  utilizar  es  necesario  conocer  las  ventajas  y 

desventajas  de  cada  una  de  ellas.  Manuel  Mateos  en  su  libro  Válvulas  Reductoras  de 

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48 

 

 

Presión, hace una comparación entre las válvulas reductoras y las cámaras de quiebre. A 

continuación se numeran las más relevantes. 

 

  Cámaras de Quiebre 

Ventajas 

Reduce la presión de salida a cero. 

No necesitan mucho mantenimiento. 

Desventajas 

La  cámara  de  quiebre  necesita  generalmente  una  válvula  de  flotador  o  nivel, 

que controle el llenado de la cámara e impida el desbordamiento. 

Una válvula de flotador para presiones mayores a 30 mca, al verter a la presión 

nula de la cámara de quiebre, puede sufrir efectos de cavitación. 

La  cámara  de quiebre  puede  perder  agua,  difíciles  de  detectar  por grietas  en 

su estructura o asentamiento del terreno. 

El agua en una cámara de quiebre puede ser contaminada muy fácilmente. 

 

  Válvulas Reductoras de Presión 

Ventajas 

La válvula reductora de presión adapta su apertura para que pase solamente el 

caudal necesario y así la presión aguas abajo se mantenga constante. 

Desventajas 

Las válvulas reductoras necesitan mantenimiento periódico. 

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49 

 

 

Costo inicial mayor que la cámara de quiebre. 

No permite reducir la presión de salida a la atmosférica. 

Algunos diseñadores consideran que para niveles de complejidad

1

 medio alto y alto, no se 

deberían construir cámaras de quiebre sino válvulas reductoras.  

De acuerdo con las ventajas y desventajas, se puede establecer que para aducciones o 

transporte de agua sin tratar donde se haga necesario reducir la presión hasta el valor de 

presión atmosférica, se recomienda utilizar cámaras de quiebre de presión debido a que 

el desperdicio de agua no es tan relevante y ante una eventual contaminación, el agua va 

a un posterior tratamiento. Para el caso de conducciones o transporte de agua tratada y 

de  redes  de  distribución  se  recomienda  utilizar  válvulas  reductoras  de  presión,  por  el 

riesgo de contaminación y por el costo mayor del agua potable. 

 

3.1 

CÁMARAS DE QUIEBRE 

 

Para  establecer  límites  de  aplicabilidad  de  los  modelos  de  cámaras  de  quiebre 

anteriormente  estudiados,  es  necesario  que  éstos  hayan  sido  probados  en  laboratorio  y 

se pueda cuantificar su eficiencia, así parámetros de diseño más relevantes. 

De  acuerdo  con  los  modelos  detallados  en  el  Capítulo  2,  se  pueden  establecer  ciertos 

rangos,  que  se  constituyen  una  recomendación,  y  por  tanto  pueden  variar  según  las 

características propias del sistema.  

Como  parámetros  de  selección  se  tienen  en  cuenta  variables  hidráulicas  como  la 

velocidad y la presión, y como variable técnica el nivel de complejidad, que generalmente 

es un indicador del costo de producción y venta del agua en cada nivel. 

                                                

1

 Nivel de complejidad: Clasificación función del número de habitantes, de la capacidad económica y del grado 

de  exigencia  técnica  del  sistema  (Reglamento  Técnico  del  Sector  de  Agua  Potable  y  Saneamiento  Básico-

RAS, 2000). 

 

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50 

 

 

Si  bien  se  acostumbra  a  utilizar  como  límite  de  presión  60  mca.  para  implementar  una 

cámara  de  quiebre,  éste  límite  debería  revaluado  hasta  120  mca,  que  representa  una 

presión de trabajo que manejan los diferentes materiales utilizados hoy en día. La mayoría 

de  las  veces,  es  más  conveniente  cambiar  el  RDE  de  la  tubería,  que  optar  por  la 

construcción de una cámara de quiebre. 

La  Tabla  6  muestra  los  valores  recomendados  de  velocidad,  presión  y  nivel  de 

complejidad para cada modelo estudiado. 

Tabla 6. Valores recomendados de velocidad, presión y nivel de complejidad  

para cámaras de quiebre. 

Modelo 

Velocidad(m/s)  Presión (m)  Nivel de complejidad 

Modelo USBR 

120 

Alto, Medio Alto, Medio 

Universidad de 

Medellín 

70 

Medio, Bajo 

Empírico 

50 

Bajo 

Fuente: Autor. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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51 

 

 

CASO DE APLICACIÓN: CÁMARAS DE QUIEBRE Y VÁLVULAS REDUCTORAS 

DE PRESIÓN 

 

Las cámaras de quiebre han sido las estructuras más utilizadas hasta el momento para el 

quiebre y reducción de presión en sistemas de abastecimiento. El modelo que más se ha 

implementado es el empírico. 

Por  las  altas  presiones  a  que  es  sometida  la  estructura,  ésta  debe  ser  construida  en 

concreto  reforzado.  Algunas  veces,  constructores  optan  por  hacerla  en  mampostería,  lo 

cual puede causar erosión en la estructura y posibles fugas (Ver Fotografía 1). 

 

 

Fotografía 1. Cámara de quiebre en mampostería. 

Fuente: (Camargo Gómez, 1999). 

 Uno de los elementos que más daños sufre en las cámaras de quiebre de presión es el 

flotador, debido a las altas presiones que soporta y que causan pueden causar cavitación. 

A continuación se muestran algunas fotos donde se evidencia la poca confiabilidad de la 

válvula flotador en este tipo de estructuras. 

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Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 

 

Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

52 

 

 

 

Fotografía 2. Válvula de flotador con fugas. 

Fuente: (Camargo Gómez, 1999). 

 

 

Fotografía 3. Válvula de flotador con fugas (2). 

Fuente: (Camargo Gómez, 1999). 

 

 

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

53 

 

 

 

Fotografía 4. Válvula de flotador dañada. 

Fuente: (Camargo Gómez, 1999). 

 

4.1 

CASO HONDA 

 
El  Municipio  de  Honda  se  encuentra  ubicado  al  norte  del  Departamento  del  Tolima,  en 

límites con el Departamento de Caldas (Ve Figura 26). 

En  la  actualidad,  el  municipio  se  abastece  de  la  quebrada  Padilla,  la  cual  suministra  la 

mayor  parte  del  tiempo  el  caudal  necesario  para  los  requerimientos  del  municipio.  La 

calidad  del  agua  es  buena  dentro  de  los  parámetros  exigidos  para  una  fuente  de 

abastecimiento.  

Con  fundamentos,  y  propósitos  no  muy  claros,  el  municipio  de  Honda  emprendió  hace 

mucho más de una década, la implementación de un proyecto para el transporte de agua 

desde el río Medina, de la cuenca del río Gualí y en el ámbito territorial del municipio de 

Mariquita, con la idea de conformar un acueducto regional integrado por los municipios de 

Mariquita,  Honda  en  el  Tolima  y  el  corregimiento  de  Puerto  Bogotá,  de  Guaduas, 

Cundinamarca. 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

54 

 

 

El  proyecto  carece  de  una  conformación  administrativa  técnica  y  legal  para  constituir  un 

sistema  regional.  Sin  embargo,  su  avance  es  de  casi  un  95%;  hasta  el  momento  están 

construidas  las  estructuras  de  captación  de  fondo  con  presa  vertedora,  la  aducción, 

desarenador  y  la  aducción  desarenador 

–  planta  de  tratamiento.  Sólo  faltan  algunas 

conexiones  y  empalmes,  además  de  superar  la  problemática  propia  de  la  puesta  en 

marcha para entrar en funcionamiento. 

 

Figura 26. Localización municipio Honda. 

 

La  línea  de  aducción  desarenador-  planta  de  tratamiento  tiene  una  longitud  aproximada 

de  L=  17750  m  (D18”-19.5%,  D16”-36.5%,  D14”-23.7%,  D12”-20.3%)  de  material 

policloruro  de  vinilo,  PVC,  en  RDE  41,  que  soporta  presiones  máximas  de  70  mca.  La 

diferencia de presión entre el desarenador y la planta de tratamiento es de más de 300 m, 

por lo que se propusieron dispositivos de Quiebre de Presión (Ver Figura 27 y Anexo II). 

 

 

Ilustraci

ón 1. Localización del Municipio de Honda 

 

FUENTE: http://www.honda-tolima.gov.co/ 

 

 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

55 

 

 

A  la  fecha,  no  existe  un  reporte  de  todos  los  estudios  técnicos  ni  mucho  menos  el 

presupuesto  invertido  en  el  acueducto  regional.  El  último  estudio  contratado  por  el 

municipio tiene por objeto el 

análisis de ingeniería y costos para la

 instalación de tubería 

y accesorios para la terminación de la línea de conducción de agua potable del municipio 

de  Honda,  elaborado  por  la  Firma  ESCALA  en  el  año  2008.  En  éste  se  propuso  la 

instalación de 5 cámaras de  quiebre de presión del  modelo empírico,  para un caudal de 

160 L/s y en intervalos de 60 mca aproximadamente. 

Al  momento  de  la  construcción,  se  decidió,  sin ningún  estudio  previo,  la  implementación 

de  estaciones  reductoras  de  presión,  en  vez  de  las  cámaras  de  quiebre  inicialmente 

propuestas.  

Las  estaciones  reductoras  fueron  instaladas  hace  más  de  2  años  y  aún  no  entran  en 

funcionamiento.  Según  conversaciones  con  operarios  y  técnicos  de  la  empresa 

prestadora del servicio de acueducto y alcantarillado, EMPREHON, cuando han intentado 

hacer  pruebas  en  el  sistema  de  aducción,  las  válvulas  han  presentado  problemas,  pues 

sufren daños por elementos como hojas, y falta de calibración para el caudal de diseño. 

Por  esto,  la  mayoría  de  las  veces  les  ha  tocado  bypasear  el  agua,  lo  cual  a  los  pocos 

metros, antes de llegar a la cámara de quiebre Nº 1, ha  causado sobrecarga y posterior 

explosión  de  la  tubería,  como  se  observa  en    la  Fotografía  5,  la  Fotografía  6  y  la 

Fotografía 7. 

 

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Diana Eugenia Martínez Ruiz 

56 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 

27. Perfil Línea de aducción río Medina 

– Planta de tratamiento. 

Fuente: (CONTELAC LTDA, 2011).

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Estudio sobre Estructuras de Control  para Quiebre y Reducción de Presión en Sistemas de Abastecimiento de 
Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

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Fotografía 5. Explosión tubería río Medina 

– Honda. 

Fuente: Autor. 

 

 

Fotografía 6. Explosión tubería río Medina (2) 

– Honda. 

Fuente: Autor. 

 

 

 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

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Fotografía 7. Explosión tubería río Medina (3) 

– Honda. 

Fuente: Autor. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Agua Potable. 

 

 

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59 

 

 

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

 

  Las  estructuras  de  quiebre  o  reducción  de  presión  son  de  uso  frecuente  en  los 

sistemas  de  abastecimiento  de  agua  debido  a  las  condiciones  topográficas  y  de 

operación,  cuando  se  presenta  una  presión  mayor  a  la  presión  de  trabajo  de  la 

tubería;  o  por  condiciones  de  servicio,  como  en  redes  de  distribución,  cuando 

existe un límite de la presión de entrega en las edificaciones. 

  A fin de reducir la presión de entrada hasta la presión  atmosférica, se utilizan las 

cámaras de quiebre. Se estudiaron tres modelos, el del Bureau el cual se utiliza a 

nivel mundial, pero en Colombia es poco conocido. Los más empleados en el país, 

son  el modelo de la Universidad de Medellín y un modelo empírico. 

  Las  válvulas  reductoras  y  las  placas  de  orificio  son  utilizadas  para  reducir  la 

presión hasta límites de operación. Las primeras generalmente se implementan en 

redes  de  de  distribución  de  agua,  y  las  segundas  en  conducciones  de  diámetros 

grandes. 

  Del estado del arte realizado se concluye que muchas veces las estructuras para 

quiebre  y  reducción  de  presión  utilizadas  en  el  país,  soportan  presiones  por 

encima  de  su  rango  de  operación.  Además,  su  implementación  se  ha  visto 

afectada  por    malas  prácticas  de  ingeniería  como  colocar  tuberías  con  presiones 

de trabajo bajas y colocar la captación lo más alta posible sin que sea necesario. 

   El  diseño  de  las  estructuras  de  quiebre  y  presión,  muchas  veces  se  hace  a  la 

ligera, sin estudiar los efectos de fenómenos como sobrepresión y la cavitación, lo 

cual genera que las estructuras fallen a los pocos meses de instalación. 

  Se  recomienda  utilizar  las  cámaras  de  quiebre  en  aducciones  y  conducciones 

donde se requiere reducir la presión hasta el valor de la presión atmosférica. Para 

el  caso  de  las  redes  de  distribución,  se  recomienda  utilizar  en  todo  caso  las 

válvulas reductoras de presión. El uso de las placas de orificio se recomienda para 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

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reducción de presión y puede combinarse con las válvulas o cámaras de quiebre 

para aumentar la eficiencia de estas estructuras. 

  Se recomiendan límites de operación para cada uno de los modelos de cámara de 

quiebre,  de  acuerdo  con  la  velocidad,  presión  y  nivel  de  complejidad.  Hay  que 

aclarar que estos son valores recomendados y que pueden variar de acuerdo con 

características propias del sistema. 

Tabla 6. Valores recomendados de velocidad, presión y nivel de complejidad. 

Modelo 

Velocidad(m/s)  Presión (m)  Nivel de complejidad 

Modelo USBR 

120 

Alto, Medio Alto, Medio 

Universidad de 

Medellín 

70 

Medio, Bajo 

Empírico 

50 

Bajo 

Fuente: Autor. 

  Se propone un modelo con base en las ventajas de los modelos propuestos por la 

USBR  y    la  Universidad  de  Medellín.  Básicamente,  consiste  en  una  tubería 

perforada concéntrica dentro de una flauta, que llegan hasta el fondo de la cámara 

y ahí se anclan al piso. Se complementa con un revestimiento en acero en la placa 

inferior y las paredes laterales de la cámara (Ver Figura 28). 

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Agua Potable. 

 

 

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Figura 28. Cámara de quiebre propuesta. 

Fuente: Autor.

 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

62 

 

 

BIBLIOGRAFÍA 

 

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Agua Potable. 

 

 

Diana Eugenia Martínez Ruiz 

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  United States Department of the Interior - Bureau of Reclamation. (1980). Hydraulic 

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Office. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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ANEXOS 

7.1 

ANEXO I: CATÁLOGO VÁLVULAS TECVAL. 

7.2 

ANEXO II: PLANTA PERFIL ADUCCIÓN RIO MEDINA. 

 
 

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