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CAlculo de Impulsion

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SISTEMAS DE IMPULSINClaudio Crisstomo Fonseca, Ingeniero Civil Agrcola DESARROLLO DE SISTEMAS DE RIEGO EN EL SECANO INTERIOR Y COSTERO. COMPONENTE NACIONAL: CAPACITACIN Y DIFUSIN DE TECNOLOGAS DE RIEGO El Departamento de Proyectos de la Comisin Nacional de Riego y el Departamento de Riego y Drenaje de la Facultad de Ingeniera Agronmica de la Universidad de Concepcin, Campus Chilln, presentan esta Cartilla Divulgativa, correspondiente a una serie de publicaciones de este tipo realizadas con financiamiento del Programa Desarrollo de Sistemas de Riego en el Secano Interior y Costero. Componente Nacional: Capacitacin y Difusin de Tecnologas de Riego. PREMBULO El desarrollo tecnolgico al que asistimos durante los ltimos tiempos, produccin masiva de productos industriales a bajo costo, agregado a la electrificacin rural, abren enormes perspectivas a la agricultura. En este contexto, la tecnificacin del riego no ha estado ajena a este proceso existiendo hoy da un enorme desarrollo y numerosas alternativas al alcance de los agricultores. La Comisin Nacional de Riego en su rol de fomentar el uso eficiente de lo recursos hdricos se ha propuesto difundir a un amplio pblico las tcnica actuales disponibles y la operacin de los sistemas de riego. En reas de escasez de recursos hdricos como son la zona norte y el secano, el riego tecnificado alcanza a un cuarto de la superficie regada, pero desafortunadamente concentrada casi exclusivamente en el sector de agricultura empresarial, por lo que estamos ante un gran desafo para integrar a la pequea y mediana agricultura a este proceso. La presente publicacin forma parte de un amplio Programa de Capacitacin y Difusin que incluye cursos, manuales tcnicos, videos y diaporamas para el uso de los extensionistas y profesionales que estn a disposicin de lo interesados en nuestras oficinas o en las oficinas de las SEREMI Agricultura e INDAP.

ERNESTO SCHULBACH BORQUEZ Secretario Ejecutivo Comisin Nacional de Riego

SISTEMAS DE IMPULSIN

Claudio Crisstomo Fonseca Ingeniero Civil Agrcola M. Sc. U. de Concepcin.

1. INTRODUCCIONUn sistema de impulsin consiste bsicamente en captar agua desde un determinado lugar y elevarla o impulsarla a otro punto, ubicado por lo general a un nivel ms alto. Al momento de realizar el diseo de un sistema de impulsin, se deben tener presentes mltiples factores como por ejemplo; disponibilidad de artculos en el mercado, costos, calidad, garanta de los elementos, forma de instalacin, etc. los que indicarn las dimensiones ms apropiadas de los elementos a utilizar, en especial las caractersticas y dimensiones de la bomba y tuberas.

2. TIPOS DE BOMBASExisten tres tipos de bombas comnmente usadas en la captacin de aguas 1) Centrfugas o radiales 2) Axiales o helicoidales 3) De flujo mixto 2.1 Bombas centrfugas o radiales Son las ms populares y a veces las nicas existentes en el mercado. Se caracterizan por hacer uso de la fuerza centrfuga para impulsar el agua; razn por la cual, el agua sale perpendicular al eje de rotacin del labe o rodete.

Este tipo de bomba proporciona un flujo de agua suave y uniforme. Se adapta a trabajos a velocidades altas, las que son normales en motores elctricos. Son especialmente indicadas para elevar caudales pequeos a gran altura. Las partes de una bomba se muestran en la siguiente figura.

Segn la numeracin de la figura 2 se tiene la siguiente descripcin:

2.2 Bombas axiales o helicoidales No hacen uso de la fuerza centrfuga para elevar el agua, sino que empujan el agua tal como un ventilador impulsa el aire que lo rodea, razn por la cual el agua sale paralela al eje de rotacin del impulsor. Son especialmente indicadas, para elevar grandes caudales a baja altura, pudiendo elevar hasta 11 m cbicos/seg a alturas de 1 a 6 metros. 2.3 Bombas de flujo mixto Para aprovechar las ventajas de sencillez y poco peso de las bombas helicoidales y aumentar la altura de elevacin, se modifica la forma de los rabes de la hlice, dndoles una forma tal que imparten al agua una cierta fuerza centrfuga. Alcanzan su mejor rendimiento con gastos entre 30 y 3.000 litros/segundo y alturas de elevacin de 3 a 18 metros. Casi la totalidad de las bombas comercializadas en Chile corresponden a las del tipo centrfuga, existiendo modelos especficos para caudal y otros para altura de presin.

3. FUENTES DE ENERGIALas fuentes de energa posibles de utilizar son, las que tengan un costo de operacin e instalacin lo ms econmico posible y acorde a las condiciones del sector donde se pretende instalar el sistema, destacndose entre ellas las siguientes: Energa elica Energa solar Energa elctrica monofsica Energa elctrica trifsica

Combustin (bencinera, parafina o diesel)

La eleccin de una u otra alternativa queda a criterio del consultor, el cual deber verificar la disponibilidad de alguna de ellas, la existencia de equipos comerciales que generen la energa, existencia de repuestos, seguridad de operacin y mantencin del sistema. En la presente cartilla divulgativa se entregan recomendaciones sobre la eleccin del equipo de impulsin, el que deber ser accionado por alguna de las fuentes energticas antes mencionadas.

4.

CALCULO DE LA ALTURA MANOMETRICA 0 DINAMICA (H)

La presin de una bomba o energa mecnica transmitida al lquido debe ser tal, que permita al agua vencerlos siguientes factores: La altura esttica (diferencia de nivel entre la toma y entrega del agua). Las prdidas de carga por friccin del fluido con la tubera (HF). Prdidas por singularidades o accesorios (Hs). Los requerimientos de presin si, por ejemplo, se hace funcionar un equipo de riego presurizado (P). La altura representativa de velocidad (V(2)/2g).

4.1 Altura estticaSe denomina altura esttica (figura 3) a la diferencia de altura entre el punto de toma de agua y donde se entrega. Se divide en: a) b) Carga esttica de aspiracin. Carga esttica de elevacin.

FIGURA 4. Esquema de carga dinmica en un sistema de bombeo

En los siguientes puntos se explicarn las diversas metodologas para el clculo de la carga dinmica, mostrada en la figura 4, la cual estar compuesta por las prdidas por friccin, singularidades, altura de velocidad y presin de trabajo de los accesorios que se incluyan en la red de impulsin. 4.2 Prdidas por friccin (HF) Prdida por friccin se define a la prdida de energa producto de la resistencia que la caera opone al paso del agua. La frmula general tiene la siguiente expresin:

HF =J*L

Donde: J = Prdidas de carga por cada metro de tubera, expresada en metros. L = Longitud de la caera de conduccin, en metros. Puede calcularse utilizando la ecuacin de Hazen y Williams, la cual es la ms ampliamente utilizada en Chile:

Donde: Q = Caudal a transportar (m cbicos/s). d = Dimetro interior de la tubera (m). C = Coeficiente de rugosidad de Hazen y Williams. Estas prdidas deben calcularse para la seccin de aspiracin y elevacin respectivamente, teniendo en consideracin lo siguiente: No confundir la altura de aspiracin, que va desde el nivel del agua hasta el eje de la bomba con la longitud de la tubera de aspiracin que es el recorrido desde el chupador hasta la entrada a la bomba. No confundir la altura de elevacin, que va desde el eje de la bomba hasta e punto donde se entregar el agua con la longitud de la tubera de elevacin, que es el recorrido desde la salida de la bomba hasta donde se entregar e agua. TABLA 2. Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams para diferentes materiales.PVC

Acero Asbesto Cemento Hormign Vibrado Plstico Corrugado Polietileno

150 140 135 130 125 120

Determinar la prdida de carga en una tubera de 100 metros de largo de acero de 120 mm de dimetro interior, en la cual se transportan 17 lt/s (1.000 litros = 1 m cbicos) De la tabla 1 se obtiene que el coeficiente de rugosidad de Hazen y Williams para el acero, el cual es C = 140, por lo tanto, la expresin queda escrita como:

Esto significa que se pierden 1, 7 cm de presin por cada metro de tubera. En este caso se utilizan 100 m de tubera, por lo tanto, la prdida de energa por friccin es de 1, 7 m. Una tabla simplificada de prdidas de carga para tuberas de PVC clase lo(*), para distintos caudales es la siguiente:

4.3 Prdidas Singulares (Hs) Las prdidas singulares o menores, son prdidas de energa que se producen por la instalacin de accesorios, tales como llaves, codos, vlvulas, manmetros, etc, en el trazado de un sistema de presin. Estas se calculan mediante la expresin :

Donde: Hs = Prdidas singulares o menores (m). V = Velocidad de circulacin del agua (m/s). g = Aceleracin de gravedad (9,8 m/s2). K = Constante adimensional de coeficiente de resistencia que depende de los accesorios que se contemplan en el diseo.

Ejemplo: Calcular la prdida de energa que se produce en un codo de 90 en una tubera de 75 mm de dimetro interior en la cual se transportan 6,6 lt/seg de agua. Se debe calcular la velocidad de escurrimiento del agua en esa tubera, de acuerdo a la siguiente frmula:

Donde: Q = Caudal (m cbicos/s). d = Dimetro interior de la tubera (m). V = Velocidad de escurrimiento (m/s). Reemplazando se tiene que: Reemplazando la velocidad obtenida anteriormente en la frmula de prdida de energa singular y utilizando el coeficiente de un codo de la tabla 4 se obtiene que la prdida de energa singular es:

Por lo tanto la prdida de energa ocasionada por un codo es de 0,10 m para las dimensiones y caudales indicadas en el encabezado del ejemplo.

4.4 Requerimientos de presin (P) del sistema Es la presin mnima que se requiere, para que un determinado sistema funcione. Se expresa en metros de columna de agua (m.c.a.), y vale cero, si la bomba descarga a travs de la tubera libremente hacia la atmsfera. Si la bomba debe llenar un estanque a presin, o mover un aspersor, o salir a travs de un gotero, se debe considerar la pres