Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

CÁRCAMOS DE BOMBEO PARA ALCANTARILLADO, FUNCIONAL E HIDRAULICO

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

ADVERTENCIA Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-5 Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F. Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento

Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron:

Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez

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CONTENIDO Página

1 INTRODUCCIÓN .....................................................................................................1 2 CONCEPTOS BÁSICOS .........................................................................................3 2.1 CLASIFICACIÓN...................................................................................................3 2.1.1 Por la capacidad.................................................................................................3 2.1.2 Por el método constructivo .................................................................................4 2.1.3 Por la ubicación de las bombas..........................................................................4 2.2 CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DE UN CÁRCAMO ....................11 2.2.1 Personal para la operación de un cárcamo de bombeo ...................................11 2.3 DISEÑO DE LAS CÁMARAS DE SUCCIÓN.......................................................11 2.3.1 Consideraciones relativas al diseño de la cámara de succión .........................11 2.4 CONSTRUCCIÓN ...............................................................................................12 2.5 UBICACIÓN ........................................................................................................13 2.6 CARACTERÍSTICAS DEBIDAS AL TIPO DE AGUA QUE SE BOMBEA............13 2.6.1 Sulfuro de hidrógeno ........................................................................................13 2.6.2 Metano .............................................................................................................16 3 HIDRÁULICA.........................................................................................................18 3.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL CÁRCAMO......................................................18 3.1.1 Ventajas por emplear varios equipos de bombeo ............................................19 3.2 VOLUMEN MÁXIMO ...........................................................................................19 3.3 DIMENSIONES DEL SISTEMA...........................................................................19 3.3.1 Altura ................................................................................................................25 3.3.2 Condiciones de succión....................................................................................28 3.4 CÁLCULO HIDRÁULICO DEL VOLUMEN..........................................................29 3.4.1 Caudal a elevar y tiempo de funcionamiento de las bombas ...........................29 3.4.2 Diámetro del conducto de impulsión ................................................................29 3.5 GOLPE DE ARIETE ............................................................................................33 3.5.1 Control del golpe de ariete ...............................................................................35 3.5.2 Válvulas de retención .......................................................................................35 4 ACCESORIOS E INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DEL CÁRCAMO DE BOMBEO ..................................................................................................................37 4.1 VÁLVULAS Y COMPUERTAS ............................................................................37 4.1.1 Permitir el paso de un flujo o detenerlo ............................................................37 4.1.2 Regular o limitar el flujo ....................................................................................38 4.1.3 Evitar el retorno del flujo...................................................................................38 4.1.4 Regulación de presión y/o gasto ......................................................................39 4.2 REJILLAS............................................................................................................40 4.3 DESMENUZADORES .........................................................................................41 4.3.1 Desmenuzador sin elevación de agua .............................................................42 4.3.2 Desmenuzador con impulsión de agua ............................................................42 4.4 AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................42 4.4.1 Controles automáticos......................................................................................43 4.4.2 Controles manuales .........................................................................................43 4.4.3 Alarmas ............................................................................................................43 4.4.4 Diseño del panel de control ..............................................................................44 4.4.5 Medida de caudal .............................................................................................44

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4.5 SELECCIÓN DE LOS PUNTOS DE CONTROL DE LAS BOMBAS ...................44 4.5.1 Bombas de una o dos velocidades...................................................................45 4.5.2 Bombas de velocidad variable..........................................................................47 4.6 EQUIPO ELÉCTRICO.........................................................................................47 4.6.1 Tablero eléctrico...............................................................................................48 4.7 CALEFACCIÓN Y VENTILACIÓN.......................................................................48 4.7.1 Instalación de calefacción ................................................................................49 4.7.2 Instalación de ventilación .................................................................................49 4.8 SUMINISTRO DE AGUA MUNICIPAL (POTABLE) ............................................50 4.9 DRENAJE DE LOS CÁRCAMOS DE BOMBEO .................................................51 4.10 RECOMENDACIONES GENERALES...............................................................51 5 EQUIPO DE BOMBEO ..........................................................................................53 5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS...................................................................53 5.1.1 Bombas centrífugas .........................................................................................53 5.1.2 Bombas de desplazamiento positivo ................................................................56 5.1.3 Bombas especiales ..........................................................................................56 5.2 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN ..............................................................59 5.3 CONSTRUCCIÓN DE LAS BOMBAS .................................................................63 5.3.1 Corrosión y duración de vida de las bombas....................................................63 5.4 ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS ................................................................64 5.4.1 Motores eléctricos ............................................................................................64 5.4.2 Motores de combustión interna ........................................................................68 5.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA.............................................................................69 5.6 SELECCIÓN DE BOMBAS .................................................................................69 5.6.1 Determinación de los caudales ........................................................................71 5.6.2 Ubicación del cárcamo de bombeo ..................................................................72 5.6.3 Tuberías de impulsión ......................................................................................73 5.6.4 Desarrollo de la curva altura-capacidad del sistema ........................................73 5.7 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO ....................................................75 5.7.1 Sistema de una sola bomba.............................................................................75 5.7.2 Sistema de varias bombas ...............................................................................75 5.8 MONTAJE DE LAS BOMBAS .............................................................................77 5.9 TUBERÍAS DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN...........................................................79 5.9.1 Conducto de succión........................................................................................79 5.9.2 Conducto de descarga .....................................................................................81 5.10 PRUEBAS Y MANTENIMIENTO DE LAS BOMBAS.........................................82 5.10.1 Pruebas hidrostáticas.....................................................................................82 5.10.2 Ensayos hidráulicos........................................................................................82 5.10.3 Ensayos mecánicos........................................................................................82 5.10.4 Gasto o caudal ...............................................................................................82 5.10.5 Altura manométrica ........................................................................................82 5.10.6 Potencia absorbida.........................................................................................83 5.10.7 Velocidad de rotación.....................................................................................83 5.10.8 Montaje...........................................................................................................83 5.10.9 Mantenimiento de las bombas........................................................................83 6 EJEMPLOS............................................................................................................85 6.1 EJEMPLO 6.1......................................................................................................85

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6.2 EJEMPLO 6.2......................................................................................................86 6.2.1 Capacidad de transporte del canal de llegada (Figura 6.1) con un tirante de agua de 25 cm...........................................................................................................87 6.2.2 Dimensionamiento de la cámara húmeda del cárcamo....................................89 6.2.3 Dimensionamiento de la tubería de impulsión..................................................90 6.2.4 Tubería de succión para la bomba de tiempo de lluvias ..................................91 6.2.5 Tubería de succión para la bomba de estiaje:..................................................91 6.2.6 Cálculo de los costos medios anuales de bombeo...........................................91 6.3 EJEMPLO 6.3......................................................................................................92 6.4 EJEMPLO 6.4....................................................................................................106 6.5 EJEMPLO 6.5....................................................................................................109 6.6 EJEMPLO 6.6....................................................................................................115 6.7 EJEMPLO 6.7....................................................................................................119 6.8 EJEMPLO 6.8....................................................................................................121 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................123

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1 INTRODUCCIÓN El manejo del agua residual en una población se lleva a cabo por medio de sistemas de recolección, así como de tratamiento, reuso y disposición. En cada uno de ellos, es necesario contar con una serie de muy diversas estructuras. Entre éstas se encuentra los cárcamos de bombeo, cuya función es elevar el agua de una cota inferior a otra superior, con el propósito de hacer que el agua posteriormente llegue a su destino por gravedad. Así mismo, los cárcamos son pieza fundamental para mitigar las inundaciones que ocurren en nuestro país en relación con el drenaje sanitario y pluvial. Puesto que el objetivo básico de un cárcamo es elevar el agua, estos se componen por cámaras, bombas y equipos auxiliares. Los cárcamos de bombeo consisten básicamente de dos componentes, la estructura para interceptar y contener el agua donde se homogeniza la carga de bombeo y se encuentran el equipo complementario, y otra que sirve para proporcionar la energía necesaria para elevar el agua acumulada y que constituye el equipo de bombeo. El diseño de los primeros y la selección de los segundos son básicos para el correcto funcionamiento de los cárcamos. Cabe señalar que, en principio, los cárcamos de bombeo deben ser concebidos como una excepción y no la regla en los sistemas de alcantarillado, dado que dificultan la operación y la tornan más costosa en comparación con los sistemas que operan por gravedad. Sin embargo, se debe reconocer como indispensable para vencer los tramos contra pendiente o mover caudales en terrenos planos. En consecuencia, los cárcamos de bombeo, al igual que su tamaño y ubicación, debe atender a criterios tanto técnicos como económicos. Adicionalmente se debe recordar que en todo momento se bombea agua residual y/o pluvial la cual con frecuencia contiene sólidos y diversos contaminantes que ocasionan problemas adicionales de operación. En este libro se tratará únicamente el caso de las aguas residuales domésticas municipales y pluviales solas o combinadas. Este Libro esta pensado en ese contexto y es útil para diseñar adecuadamente cárcamos de bombeo y para resolver problemas de funcionamiento. Los aspectos fundamentales de los cárcamos como su clasificación, consideraciones necesarias para su selección y características generales de los cárcamos convencionales y prefabricados, así como las características de construcción de los mismos y los problemas ocasionados por el manejo del agua residual, se presentan en el Capítulo dos. El Capítulo tres describe el procedimiento para calcular el volumen requerido, dimensionar el sistema y los principios de funcionamiento de los cárcamos de

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bombeo, el control de los niveles de agua dentro de la cámara húmeda, y evitar una alta variabilidad de los caudales en los mismos. En el Capítulo cuarto se describen los accesorios tales como compuertas, rejillas, desmenuzadores, medidores de caudal, equipo eléctrico y calefacción y ventilación y se indica como hacer una adecuada selección e instalación de los mismos. Parte esencial de un cárcamo es el equipo de bombeo, por ello en el Capítulo quinto, se describen los tipos de bombas que comúnmente se emplean, su colocación dentro del cárcamo, así como las condiciones generales para su adecuada operación, así mismo se presentan las recomendaciones necesarias para evaluar y dar mantenimiento a los equipos de bombeo. El capítulo seis hace uso de la información descrita en los capítulos previos para desarrollar un ejemplo práctico de diseño, construcción y funcionamiento. OBJETIVO Complementar el Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, con la elaboración del libro: “Cárcamos de bombeo para alcantarillado funcional e hidráulico”, en el cual se establezcan los criterios fundamentales para proyectar y diseñar adecuadamente cárcamos de bombeo que manejen aguas residuales o pluviales, así como describir la metodología de cálculo.

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2 CONCEPTOS BÁSICOS Los cárcamos de bombeo se usan para impulsar todo tipo de agua (residual, pluvial, industrial, etc.) cuando:

• La cota del área de donde se capta el agua es muy baja como para drenar por gravedad a colectores existentes o en proyecto.

• Se requiere drenar a zonas situadas fuera de la cuenca vertiente. • El bombeo disminuya los costos para instalar el alcantarillado posterior para

dar servicio a una zona determinada. 2.1 CLASIFICACIÓN Los cárcamos de bombeo se pueden clasificar de diversas formas acuerdo con:

• Su capacidad. • El método de construcción empleado (en el sitio, prefabricados, etc.). • La ubicación de las bombas. • La fuente de energía (eléctrica, motores diesel, etc.).

2.1.1 Por la capacidad En la Tabla 2.1 se aprecia una clasificación de acuerdo con su capacidad para dos tipos de cárcamos (prefabricados y convencionales).

Tabla 2.1 Clasificación de los cárcamos de bombeo según su capacidad y método constructivo utilizado

Capacidad m3/s Clases/tipo Prefabricado

< 0.02 Eyectores neumáticos 0.006 - 0.03 Cámara de succión 0.006 - >0.1 Cámara seca

Convencional 0.02 - 0.09 Pequeño 0.06 - 0.65 Mediano

> 0.65 Grande Fuente: Metcalf and Eddy 1985.

La capacidad de los cárcamos convencionales oscilan entre 0.02 y >0.65 m3/s. Se emplean cuando: 1) las condiciones locales impiden el uso de cárcamos prefabricados, 2) la magnitud o la variación del caudal es tal que excede la capacidad manejada por las instalaciones prefabricadas. En otras palabras, cada uno es diseñado en forma específica para adecuarlo a las condiciones locales.

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2.1.2 Por el método constructivo Los cárcamos prefabricados son suministrados en módulos que incluyen todos los equipos y componentes ya montados. En los últimos años, las instalaciones prefabricadas se han popularizado y se llega a conseguir en la actualidad instalaciones de capacidades superiores. 2.1.3 Por la ubicación de las bombas Los cárcamos de bombeo pueden poseer dos cámaras, una seca y otra húmeda. En la primera se colocan los equipos de bombeo, en tanto que en la segunda se almacena el agua. Esta combinación conforma un cárcamo seco. Para pequeños volúmenes, se usan cárcamos húmedos en los cuales el equipo de bombeo está sumergido en el agua, en tanto que el equipo eléctrico se ubica a pie del cárcamo. 2.1.3.1. Cárcamos secos Se denominan así por la presencia de una cámara seca situada adyacente a la de succión donde se alberga las bombas, la tubería de succión e impulsión y sus correspondientes válvulas. A lo largo de la pared que separa las cámaras hay un canal de drenaje que recoge y transporta las fugas que puedan producirse, así como el agua procedente del drenaje de las bombas y de la limpieza de la cámara seca. El piso de la cámara seca debe tener una pendiente hacia el canal de drenaje y éste, a su vez, otra de 10 mm/m hacia el sumidero. En la Figura 2.1 se muestra una cámara seca de un cárcamo de bombeo convencional, mientras que en la Figura 2.2. la muestra para un cárcamo prefabricado. En cárcamos de bombeo profundos, se debe contar con un piso intermedio entre la superficie del terreno y el fondo de la cámara seca, donde se colocan los motores que accionan las bombas. En cárcamos poco profundos, los motores se colocan sobre el piso de la cámara, la cual debe ser diseñada lo suficientemente separadas para permitir la extracción de motores, bombas, tuberías y otros componentes.

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Figura 2.1 Cárcamo de bombeo convencional típico para aguas residuales

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Figura 2.2 Cárcamo de bombeo prefabricado de dos bombas

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2.1.3.2. Cárcamos húmedos La cámara de succión o pozo de bombeo sirve para almacenar el agua residual antes de su bombeo. Su volumen depende del tipo de bombas que se emplean, ya sean de velocidad constante o variable. Si se eligen bombas de velocidad constante, el volumen debe ser tal que evite ciclos de funcionamiento demasiado cortos, pues ello provoca una frecuencia elevada de paros y arranques. Otras funciones de la cámara de succión son conseguir la suficiente sumergencía de los ductos de la succión de las bombas para evitar la formación de vórtices así como amortiguar la transición del caudal desde la llegada del agua a las tuberías de succión de las bombas. En la Figura 2.3 se muestra una cámara de succión grande que consta de cuatro bombas y espacio para una quinta. Como puede verse, la cámara se divide en tres compartimentos, cada uno de los cuales incluye una rejilla de limpieza mecánica independiente. Básicamente la cámara de succión consiste de un pozo de registro de dimensiones superiores a las normales. El nivel mínimo del agua se debe situar a una cota tal que no permita la entrada de aire a la tubería de succión por la formación de vórtices. La parte superior de la voluta se debe ubicar por debajo del nivel mínimo del agua para eliminar la posibilidad de que el aire entre en la bomba. Cada bomba debe contar con una tubería de succión independiente, con el objeto de poder sacarla fuera de servicio para su mantenimiento. Por ello, se instalan válvulas de aislamiento entre la bomba, la cámara de succión, así como a continuación de la válvula de retención en la descarga. Estas válvulas normalmente son del tipo de resorte, ya que el espacio disponible en el cárcamo es limitado. En los cárcamos grandes la extracción de los equipos se realiza con grúas viajeras, mientras que en los pequeños basta con algún tipo de gancho situado sobre los componentes de gran tamaño. Las puertas deben ser de tamaño suficiente para permitir la extracción de los equipos, así como las trampas dispuestas en el suelo para la extracción de elementos situados en niveles inferiores

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Figura 2.3 Cárcamo de bombeo convencional típico de aguas residuales de gran tamaño, a) Cámara de succión, b) Cámara seca

a)b)

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Cárcamos de bombeo con bombas sumergibles Los cárcamos de bombeo con bombas sumergibles se encuentran disponibles en el mercado desde hace muchos años, aunque su uso en redes de alcantarillado había sido limitado por problemas de mantenimiento. Su uso se ha incrementado al incorporar un sistema de fijación que permite extraer las bombas sin afectar a la tubería de descarga, mediante guías. En la Figura 2.4 se muestra una instalación típica. Los cárcamos de este tipo existen prefabricados en placa de acero. Las válvulas pueden instalarse en la misma cámara de bombeo, pero el mantenimiento es más sencillo cuando se colocan en una cámara independiente como se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.4 Cárcamo de bombeo con bombas sumergibles

Las características generales de los diferentes tipos de cárcamos de bombeo se resumen en la Tabla 2.2.

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Tabla 2.2 Características generales de los cárcamos de bombeo convencionales y prefabricados

Características Función normal Descripción Prefabricado Obra civil

Proporciona las condiciones para

almacenar el agua antes de ser bombeada

Estructura de concreto reforzado con superestructura de mampostería, concreto

reforzado o páneles de madera o metálicos.

Acero o fibra de vidrio.

Cámara de succión

Recibe, almacena y homogeniza el agua

residual antes de bombearla. Da la

carga necesaria para realizar el bombeo sin que entre aire al

equipo

A menudo cuentan con rejillas y desmenuzadores para proteger

a las bombas. El acceso a la cámara de succión debe ser directo desde el exterior por

medio de una escalera.

Con frecuencia se emplean como

cámaras de succión pozos de registro de

concreto en cárcamos pequeños

Cámara seca

Almacena a las bombas

Los motores y páneles de control se instalan en el piso intermedio o en el superior, a

nivel del terreno.

Los motores suelen colocarse en la cámara seca junto con el panel

de control; generalmente, hay que

instalar un deshumificador para proteger este último contra la corrosión.

Instrumentación

Incluye controles automáticos y

manuales de las bombas, las alarmas

de nivel máximo y mínimo y la medición

del caudal

El panel de control de los motores se coloca a nivel del terreno en cárcamos de gran

tamaño

El panel de control se coloca en la cámara

seca

Equipo eléctrico

Constituyen el sistema de

accionamiento común de las

bombas

Los motores se colocan en el piso intermedio de la cámara

seca o en el que está a nivel del terreno.

Los motores suelen acoplarse directamente

a las bombas y el conjunto se coloca en

la cámara seca Fuente de energía

Suministra la energía necesaria para el funcionamiento de

los equipos eléctricos

A veces se emplean motores duales en cárcamos grandes

para accionar las bombas

Por seguridad, el cárcamo de bombeo debe contar con un

suministro de energía por duplicado. Ello se consigue con dos líneas eléctricas, o bien, con

una línea y uno o más grupos electrógenos instalados en el

cárcamo

Generalmente, sólo hay una línea de

suministro eléctrico, aunque puede

instalarse un grupo electrógeno como

fuente auxiliar

Fuente: Metcalf and Eddy 1985

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2.2 CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DE UN CÁRCAMO En cárcamos donde no hay personal en forma permanente no deben existir ventanas para reducir el riesgo de vandalismo. La planta debe situarse a una cota superior al nivel de inundaciones para evitar que el cárcamo quede anegado. 2.2.1 Personal para la operación de un cárcamo de bombeo Los cárcamos de bombeo modernos están completamente automatizados. Sin embargo, los pequeños reciben una inspección diaria del funcionamiento y engrase de los equipos instalados. Los cárcamos de mayor importancia, especialmente los que sirven a grandes zonas de ciudades, suelen tener operadores que los atienden permanentemente, aunque el número de los mismos normalmente es pequeño. En la mayoría de los casos, es suficiente disponer de una o dos personas para la operación. Muchos problemas de funcionamiento de las bombas resultan de un diseño inadecuado del cárcamo de bombeo. Entre los principales se pueden citar la formación de turbulencias que afectan a la altura de succión y al rendimiento de las bombas. 2.3 DISEÑO DE LAS CÁMARAS DE SUCCIÓN En los cárcamos prefabricados, la zona de ubicación debe adaptarse a ellos, los cárcamos convencionales tienen un diseño específico para cada situación. El cárcamo en si debe constar de: entradas y salidas para el personal, entradas y salidas para los equipos, zonas de reparaciones en el sitio de bombas motores, iluminación, ventilación y suelos adecuados. Las paredes y pisos deberán garantizar su impermeabilidad. El cárcamo deberá disponer de grúas viajeras y polipastos para mover equipos, así como los elementos de medición y control necesarios. Debe haber dispositivos antivibratorios y aislamientos sonoros de las bombas y electromotores. Las placas antivibratorias y la presencia de elementos que eviten su transmisión, así como el empleo de trampas acústicas se consideran imprescindibles. 2.3.1 Consideraciones relativas al diseño de la cámara de succión El agua residual penetra en el cárcamo de bombeo a través de la tubería de llegada proveniente del alcantarillado. Los gases del agua residual así como los materiales inflamables que pueda contener la misma deben ser venteados al exterior, por lo que un diseño incorrecto puede causar explosiones. Para reducir este riesgo, todas las instalaciones eléctricas deben ser a prueba de explosiones.

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Es una buena práctica, y muchas veces se requiere por normatividad, dividir la cámara de succión en dos o más compartimentos, de manera que pueda dejarse fuera de servicio una parte del cárcamo para mantenimiento. Debido al tamaño de la cámara de succión, el flujo no siempre es turbulento, por lo que suele depositarse arenas y sólidos, por lo que el piso de la cámara debe estar inclinado hacia la zona de succión de las bombas. Cada compartimiento de la cámara de succión debe tener una entrada y compuerta para aislarse y permitir derivar el caudal a otros compartimentos cuando se desee dejarlo fuera de servicio. No obstante, los compartimentos deben estar interconectados por medio de compuertas a fin de contar con la totalidad del volumen de almacenamiento para evitar una excesiva frecuencia de arranques y paros de las bombas. Si la cámara de succión está cubierta, cada compartimiento debe disponer de un acceso independiente. En la Figura 2.2 se muestra un cárcamo pequeño que incluye un desmenuzador y dos cámaras de bombeo. Se cuenta con dos bombas y espacio para una tercera, el cual se ha dispuesto de forma que no cree una zona muerta dentro de la cámara de succión. Las bombas instaladas están situadas en los extremos de la cámara, mientras que la futura se coloca en medio, más cerca de la entrada del agua residual. Si ello no fuera así, se crearía una zona muerta en un extremo de la cámara donde se depositarían los sólidos, dando origen a olores y problemas. La geometría de la cámara es importante para minimizar la deposición de sólidos. La plantilla es horizontal hasta un punto situado a 0.3 – 0.4 m más allá del borde exterior de la campana de la tubería de succión y, a continuación debe ascender hacia la pared opuesta con una pendiente igual o superior a 1:1 (Figura 2.2). Siempre es recomendable instalar el bombeo, después del pretratamiento del agua residual. 2.4 CONSTRUCCIÓN La estructura de los cárcamos de bombeo debe ser de concreto reforzado. Las paredes exteriores que quedan enterradas así como las interiores que se encuentran por debajo del nivel máximo del agua deben ser tratadas con un revestimiento que evite filtraciones. La estructura exterior debe construirse a prueba de incendio. Tanto la cámara húmeda como la seca deben estar aisladas entre sí, lo cual exige que las paredes de separación sean aisladas al vapor, y las juntas de todas las tuberías y pasamuros aisladas al gas. Las secciones más empleadas son las cuadradas y rectangulares ya que permiten una mejor utilización del espacio y una fácil separación entre la cámara de bombeo y la seca. Sin embargo, en cárcamos profundos el empleo de secciones circulares conviene, pues son más resistentes a las sobrecargas que las rectangulares.

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2.5 UBICACIÓN Para definir la localización de un cárcamo de bombeo se deben considerar las condiciones físicas del lugar y su situación con respecto a las obras de toma y descarga. El lugar debe ser estable, sin peligro de derrumbes, lejos de cruces con arroyos y en un terreno consistente. La falta de esta última característica aumenta el costo de la estructura, ya que no es igual excavar en un terreno rocoso que en una arcilla frágil. Se puede aseverar que para una misma profundidad los problemas de ademe se incrementan con suelos menos estables. 2.6 CARACTERÍSTICAS DEBIDAS AL TIPO DE AGUA QUE SE BOMBEA Las transformaciones biológicas y químicas del agua provocan dos de los problemas más importantes asociados al funcionamiento de un cárcamo de bombeo de agua residual y son: 1) la corrosión de las bombas e instalaciones complementarias, y 2) la presencia de gases malolientes, tóxicos y en algunos casos explosivos. Ambos problemas se relacionan con la producción de sulfuro de hidrógeno (H2S), y el segundo con metano (CH4). 2.6.1 Sulfuro de hidrógeno El sulfuro de hidrógeno en el agua residual, resulta de la reducción bacteriana de sulfatos (SO4

2-), sulfitos, tiosulfatos, azufre libre y otros compuestos donde existe azufre. La reducción del azufre (orgánico e inorgánico) a sulfuro puede ser efectuada por diversos microorganismos para obtener su energía y mantener su crecimiento celular. De hecho, muchos asimilan el azufre inorgánico en forma de sulfato, sulfito y tiosulfato y lo reducen a sulfuro en su protoplasma, donde se acumula en forma de derivados orgánicos que contienen azufre, como proteínas y aminoácidos (por ejemplo cisteina, metionina y cistina). En condiciones anóxicas (difieren de las anaerobias por la ausencia de oxígeno disuelto o combinado), dos géneros de bacterias de la especie Desulfovibrio, comúnmente denominadas reductoras de sulfatos, pueden convertir el sulfato en sulfito. Los miembros principales de esta especie son Desulfovibrio desulfuricans, Desulfovibrio vulgaris y Desulfovibrio sal signes. La reducción suele ir acompañada de la oxidación de la materia orgánica y, en casos especiales del hidrógeno. Cuando la fuente de la materia orgánica es el ácido láctico, la conversión se representa por la siguiente reacción:

2CH3CHOHCOOH + SO42- → 2CH3COOH + S2 + 2H2O + 2CO2 (3)

Cuando los organismos que intervienen contienen la enzima hidrogenasa, puede darse la siguiente reacción que es la responsable de la corrosión de las tuberías de hierro:

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4H2 + SO4

2- → S2 + 4H2O (4)

H2S + Fe → FeS + 2H+ (5) Normalmente la reacción se realiza en la parte sumergida de la película biológica, que se desarrolla en las paredes bajas de las tuberías. Debido a que la mayoría de aguas residuales contienen bacterias capaces de completar estas reacciones, así como materia orgánica e iones sulfatos, siempre existen las condiciones para producir sulfuro de hidrógeno, aunque no siempre existe producción significativa de H2S, debido a la intervención de fenómenos de precipitación, oxidación y volatilización. El sulfuro de hidrógeno es un gas presente tanto en las alcantarillas como en los cárcamos de bombeo en forma disuelta en agua residual. El sulfuro de hidrógeno puede ser oxidado a ácido sulfúrico por la acción de bacterias, lo cual da lugar a importantes problemas de corrosión. Tiene un olor de huevos podridos. El gas es tóxico para los seres humanos y ha causado la muerte de muchos operadores de mantenimiento. La cantidad de sulfuro de hidrógeno disuelto aumenta al disminuir el pH. Una vez disuelto se escapa a la atmósfera de tuberías o cárcamos y se deposita en las paredes situadas por encima de la superficie del líquido. Puesto que, normalmente, estas paredes están húmedas debido a las condensaciones, se forma una solución ácida que es muy activa. El sulfuro de hidrógeno retenido en esas zonas húmedas es transformado en ácido sulfúrico por la acción de bacterias del tipo Thiobacillus.

H2S + 2O2 → H2SO4 Se ha comprobado que algunas especies Thiobacillus, tal como T. concretivorus, permanecen activas en soluciones que contienen hasta un 7% de ácido sulfúrico. Sin embargo, esta reacción viene limitada por la humedad y la presencia de oxígeno. En el siguiente paso del proceso de corrosión, él ácido sulfúrico reacciona con el cemento del concreto y, de forma similar con el hierro de los conductos de este material. Si la tasa de producción de ácido sulfúrico es baja, prácticamente la mayor parte del mismo reacciona con el cemento, dando lugar a un material pastoso que queda muy pobremente ligado al material inerte en la fabricación del conducto. Si la tasa de producción de ácido sulfúrico es elevada, gran parte del mismo no podrá difundirse a través de la masa pastosa citada y, consecuentemente, será arrastrado de las paredes por la corriente de agua residual en donde reaccionará con los álcalis, con lo que el azufre presente quedará en forma de ión sulfato.

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2.6.1.1. Control de la corrosión debida al sulfuro de hidrógeno El costo anual requerido para disminuir los efectos de la corrosión causada por el sulfuro de hidrógeno en tuberías, cárcamos de bombeo y plantas de tratamiento es tan enorme, que es importante conocer la forma en que se produce la corrosión y qué es lo que puede hacerse para controlarla o eliminarla. La corrosión debida al sulfuro de hidrógeno puede ser controlada si limitan su producción o se eliminan una vez producido, lo cual se logra mediante:

• Control de las descargas que aportan materia orgánica y azufre. • Aireación. • Adición de productos químicos como cloro, peróxido de hidrógeno y otros

agentes oxidantes, nitrato sódico y sustancias activas. • Limpieza periódica, tanto mecánica como química. • Ventilación. • Buen diseño.

Los métodos más utilizados son la aireación, cloración y la limpieza mecánica. Cuando se prevea que se van a presentar condiciones que den lugar a corrosiones elevadas y no pueda eliminarse utilizando los métodos de control previamente mencionados, debe usarse revestimientos protectores que sean eficaces. Los resultados obtenidos en la utilización de revestimientos a base de pinturas bituminosas o de resinas epoxy han sido muy variables; el ácido puede difundirse a través de los agujeros del sistema de fijación del revestimiento y atacar el cemento de las tuberías de concreto. En tuberías de concreto de gran diámetro se han utilizado satisfactoriamente unas láminas de cloruro de polivinilo con unos nervios en forma de T en su parte interna que quedan humedecidos en el concreto. 2.6.1.2. Efectos de los gases En la Tabla 2.3 se resumen algunos de los efectos por la exposición al sulfuro de hidrógeno. La concentración mínima que produce muerte es de 300 ppm, mientras que 3000 ppm suponen una muerte casi instantánea. Los gases desprovistos de olores también pueden ser tóxicos, como el caso del metano, propano, butano, etc. El uso del cloruro férrico para acondicionamiento químico reduce significativamente los olores causados por la descomposición de la materia orgánica en aguas residuales, sin embargo para la mayoría de los desechos municipales, los polímeros proveen una operación más económica. En condiciones aerobias, numerosos compuestos orgánicos pueden convertirse en otros más simples, dióxido de carbono y diversos compuestos orgánicos oxidados. La presencia de dióxido de carbono tiende a disminuir el pH. En condiciones anaerobias, lo más posible es que los compuestos orgánicos complejos del agua

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residual se transformen en dióxido de carbono, metano, compuestos orgánicos más sencillos y ácidos. Tanto el dióxido de carbono como los ácidos producidos tienden a disminuir el pH.

Tabla 2.3 Efectos producidos por la exposición al sulfuro de hidrógeno a Tiempo y condiciones de

exposición Concentración de sulfuro de hidrógeno en

la atmósfera del cárcamo de bombeo, ppm en volumen

Efectos

Exposición prolongada, trabajo ligero 1 a 2 h,

trabajo ligero

5 – 10 (algunas personas menos)

10 – 50 (algunas personas menos)

Poco o ninguno

Comezón en los ojos e irritación respiratoria,

dolores de cabeza 6 h, trabajo manual pesado 1 h, trabajo

manual pesado

Alrededor de 50

Alrededor de 100

Ceguera temporal

Límite máximo sin consecuencias serias

a Adaptado de Metcalf and Eddy 1985. 2.6.2 Metano El gas metano es el principal subproducto de la descomposición de la materia orgánica en aguas residuales. Es incoloro, inodoro, hidrocarburo de alto valor calorífico. Normalmente no se encuentran grandes cantidades en aguas residuales no tratadas debido a que aún pequeñas cantidades de oxígeno son tóxicas a los organismos responsables de la producción de metano. Por si mismo, el metano no es tóxico. Debido a que el cerebro es dependiente del dióxido de carbono al respirar, y no a la falta de oxígeno, la persona puede no mostrar algún síntoma antes de perder la conciencia. Esto hace que la exposición al metano sea especialmente peligrosa. Si un trabajador ha estado en contacto con el metano, los primeros auxilios son muy similares a los que se dan al contacto con el CO2; remover y dar respiración a la persona. Debe estar en observación por una persona calificada en salud. Debido a que el metano es más ligero que el aire, es importante que el aire se haga circular creando un ambiente fresco. Las bacterias responsables de la conversión de materia orgánica a gas metano son estrictamente anaerobias llamadas metanogénicas. Las bacterias más importantes de este grupo son las que utilizan el hidrógeno y el ácido acético. El metano es insoluble y su salida de la solución representa estabilización residual real. Es importante notar que las bacterias de metano pueden usar solamente un número limitado de sustratos por la formación de metano. Se sabe recientemente que estas bacterias usan los siguientes sustratos: CO2 + H2, formato, acetato, metanol, metilamina, y monóxido de carbono. Su bajo límite de flamabilidad es cerca del 6% y el límite más alta es de 15%. En el rango de 6 a 10% una mezcla de metano-aire puede ser positivamente explosivo.

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Las mezclas de metano y aire explotan violentamente y fácilmente. Aún una chispa eléctrica puede provocar una explosión de metano. Debido a la gran combustión del metano, deben seguirse ciertas reglas de seguridad:

• No fumar o encender fuego cerca de los cárcamos de bombeo y tuberías. • Estar seguros que todo el equipo eléctrico sea de variedad antiexplosiva. • Asegurase que todas las válvulas estén libres de obstrucciones y trabajando

en buen estado. • Realizar inspecciones y mantenimiento frecuentes en todos los equipos. • Cuando sea necesario realizar un trabajo en el área donde se produce el

metano, checar la proporción aire-metano. Use ventilación forzada cuando sea necesario.

18

3 HIDRÁULICA 3.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL CÁRCAMO El volumen mínimo necesario del cárcamo de bombeo depende del tipo y funcionamiento de las bombas. Si éstas son de velocidad variable, de forma que se varía el caudal de bombeo de acuerdo con el agua residual que llega al cárcamo, el volumen requerido es pequeño, siendo suficiente aquel que permita el cambio de la capacidad de bombeo cuando se arranca o para una bomba antes de alcanzar el nivel definido para este. Normalmente, este tiempo suele ser inferior a un minuto. En cambio las bombas de velocidad constante o de dos velocidades necesitan mayores volúmenes de almacenamiento para evitar ciclos demasiado cortos. El tiempo entre arranques es función de los caudales de bombeo que entran al cárcamo. En bombas con motores de dos velocidades, el caudal de bombeo es la diferencia entre el caudal correspondiente a cada velocidad. El tiempo entre arranques para motores de potencia inferior a 15 kW puede reducirse hasta 10 minutos aunque es recomendable adoptar 15 minutos. Para motores de inducción de jaula de ardilla con potencias entre 15 y 75 kW, el tiempo entre arranques debe de ser mayor a 15 minutos. Para potencias superiores a 75 kW pero inferiores a 200 kW, el tiempo entre arranques debe estar comprendido entre 20 y 30 minutos. Para motores mayores a 200 kW se recomienda consultar con el fabricante. El volumen comprendido entre los puntos de arranque y paro de una sola bomba o un solo escalón de control de velocidad para bombas de dos velocidades, está dado por:

4qV θ

= (3.1)

donde:

V : Capacidad necesaria, m3 θ : Tiempo mínimo de un ciclo de bombeo (tiempo entre arranques sucesivos

o cambios de velocidad de una bomba que funciona entre los límites de un intervalo de control), min.

q: Capacidad de la bomba o incremento del gasto del bombeo cuando una bomba se encuentra en funcionamiento y arranca una segunda o cuando se aumenta la velocidad del motor, m3/min.

El tiempo mínimo del ciclo de funcionamiento de una sola bomba ocurre cuando el caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba. En estas condiciones, la duración en funcionamiento y paro son iguales. Para caudales de entrada mayores, el tiempo de funcionamiento es mayor y el de paro menor, mientras que para caudales de entrada menores, ocurre lo contrario. En ambos casos, el tiempo de ciclo es mayor.

19

3.1.1 Ventajas por emplear varios equipos de bombeo Si el volumen calculado implica construir una cámara húmeda excesivamente grande para un cárcamo que conste de dos bombas iguales, una de las cuales está de reserva, se puede reducir el volumen a la mitad instalando controladores automáticos que arranque y pare las bombas en forma alterna y reduzca el valor de θ a la mitad del necesario para una sola bomba. 3.2 VOLUMEN MÁXIMO En general siempre se establece un tiempo de retención máximo en el cárcamo para minimizar el desarrollo de condiciones sépticas y producción de olores que conduce a su vez a un volumen máximo. A menudo, este se establece en 10 min, para el caudal medio del proyecto. Desgraciadamente, este valor con frecuencia se contrapone con la necesidad de disponer de volumen adecuado para evitar ciclos de funcionamiento de las bombas demasiado cortos. Por esto se instalan varias bombas o bombas de dos velocidades para reducir el incremento del caudal de bombeo y, en consecuencia, el volumen necesario. Además, se puede minimizar la producción de olores si el nivel mínimo del agua en el cárcamo se encuentra por encima de la zona cuyo fondo tiene una pendiente, lo cual se logra al hacer que dicho nivel concuerde con la primera bomba dentro de la secuencia de bombeo. El problema más frecuente es obtener suficiente volumen de bombeo a un costo razonable. En los cárcamos importantes que dan servicio a grandes colectores, se puede conseguir un volumen efectivo adicional utilizando la capacidad de almacenamiento de los colectores. Si el punto de arranque de las bombas en el cárcamo de bombeo está situado por debajo de el piso de los colectores, no es posible utilizar la capacidad de almacenamiento de éstos. Sin embargo, cuando se encuentra por encima, se pueden obtener las curvas del contraflujo y calcular el volumen de almacenamiento efectivo en los colectores entre los diversos escalones de control. Este volumen, a menudo representa el 50% del total. Este sistema es comúnmente utilizado en cárcamos de bombeo que incorporan rejillas de limpieza automática. 3.3 DIMENSIONES DEL SISTEMA La función del depósito del cual se va a tomar agua, es proporcionar una distribución del flujo hacia la campana de succión. Una distribución desigual se caracteriza por fuertes corrientes locales que favorecen la formación de torbellinos y con bajos valores de profundidad que pueden introducir aire a la bomba, reduciendo su capacidad y produciendo mucho ruido. El nivel adecuado de profundidad depende, principalmente, del acceso a la toma y del tamaño de la bomba. Los fabricantes de bombas, generalmente proporcionan información sobre los problemas específicos, cuando el diseño del cárcamo es en forma preliminar, y si este diseño contiene todos los dibujos necesarios para la instalación que proporcionen las limitaciones físicas del lugar.

20

Un análisis completo del efecto de la forma de los depósitos se logra con estudios de modelos físicos a escala. Sin embargo, se pueden hacer algunas recomendaciones: • El acceso ideal, es un canal recto que llegue directamente hacia la bomba; las

curvas y obstrucciones son perjudiciales pues causan corrientes y remolinos. La campana de succión debe estar localizada cerca de la pared trasera o posterior y no lejos de la base o piso del pozo de succión.

• El agua no debe pasar por la zona de influencia de una bomba para llegar a otra. Si las bombas tienen que estar localizadas en una sola línea del flujo, se debe construir una celdilla alrededor de cada una o poner paletas móviles bajo la bomba de paro para desviar el agua hacia arriba. La forma de un pozo de succión debe ser probado para verificar estos requisitos.

• En lo posible, la trayectoria del flujo debe ser tal que reduzca el arrastre alterno de remolinos tras la bomba y bloquear la corriente del flujo.

• La Figura 3.1 muestra cómo construir un pozo de succión con las medidas correctas. Los valores ahí presentados provienen de promedios obtenidos de diferentes clases y tipos de bombas y se refieren a una línea entera de velocidades específicas, por lo que no deben ser tomados como valores absolutos, sino únicamente, como guías.

• La dimensión “C” es un valor promedio que puede ser mayor o menor en función de lo que sugiera el fabricante de la bomba.

• La dimensión “B” se propone como máxima y depende en cierta forma de la campana de succión y del diámetro de la válvula de succión propuestos por el constructor. La orilla de la campana debe estar lo más cercana posible a la pared trasera del depósito o cárcamo; algunas veces la posición de la campana de succión está sujeta al espacio que requiere el motor en el piso superior, si esto aumenta la dimensión “B”, excesivamente, deberá instalarse un muro falso.

• “S” es el ancho mínimo para instalar una sola bomba, su valor puede ser aumentado pero si se disminuye se debe consultar con el fabricante para saber cuanto es lo máximo.

21

Figura 3.1 Dimensiones del cárcamo con relación al flujo

189

0.13

0.25

0.23

0.20

0.18

0.15

0.32

0.38

0.44

0.51

0.63

0.76

1.02

1.27

1.52

1.78

2.03

2.54

3.17

6.35

5.08

3.81

12.7

0

7.62

25.4

0

17.7

8

10.1

6

18900015750

13600

94507875

630056705040441037803150

2520

18901575

1260

945787.5787.5

630567504441378315

252

Dimensiones recomendadas en cm

l /s p

or b

omba

Fig 3.1

A (V

c=0.

6 m

/s)A

H YSBC

A

Para unabomba

SS/2

S/2SS

Para cárcamo múltiple

Y

B

Rejilla o compuerta

Para variasbombas

Rejilla

Dirección del flujo

Vc

Nivel míndel agua

HC

22

• La dimensión “H” es el valor mínimo y está basada en el nivel normal del agua en la campana de succión de la bomba, tomando en consideración las pérdidas por fricción a través de la pichancha, rejilla y acceso a la toma. Esta dimensión puede ser considerablemente menor, momentáneamente, o con poca frecuencia, sin que por eso se produzca un daño grave a la bomba. Sin embargo, deberá recordarse que esta no representa la profundidad, la cual se estima a partir de “H” menos “C” que representa la altura física del nivel del agua arriba de la entrada de la campana de succión. La bomba debe estar sumergida un poca más de este último nivel mencionado ya que la abertura del impulsor está a cierta distancia arriba de la entrada de la campana de succión, posiblemente de 0.9 a 1.2 metros.

• Las dimensiones “Y” y “A” son valores mínimos recomendados, que pueden ser tan grandes como se desee, pero con el límite indicado en la curva. Si el diseño no incluye una rejilla, la dimensión “A” puede ser más grande, sin embargo si el diseño si la incluye, las dimensiones del ancho y de la altura de este no deben ser, sustancialmente, menores que “S” y “H”, respectivamente.

• Si la velocidad de la corriente principal es mayor que 0.6 m/s, es necesario construir, separadores en el canal de acceso paralelo al flujo, aumentar la dimensión “A”, hacer un ensayo con un modelo de la instalación o idear una combinación de estos factores.

• Las dimensiones que se muestran en la Figura 3.1 se basan en la capacidad de las bombas para una carga determinada. Cualquier aumento en la capacidad es aceptable en forma momentánea o por tiempo muy limitado, ya que el diseño se basa en valores de carga determinados. Si estos tiempos de operación llegan a ser largos, es preferible que el diseño se realice de acuerdo a la máxima capacidad de las bombas y así mismo obtener las dimensiones correspondientes del diseño del cárcamo.

Todas las condiciones anteriores también son aplicables cuando se trata de instalaciones múltiples de bombas, en las cuales “S” viene a ser el ancho de una celda individual de una bomba, o sea, la distancia de centro entre dos bombas, si no se usan muros de división, adicional a lo mencionado, se debe considerar: • Para el diseño del cárcamo se recomienda en primer lugar, que el agua llegue

con baja velocidad, flujo recto y uniforme (Figura 3.2a). simultáneamente a todas las bombas. La velocidad cerca de la bomba deberá ser alrededor de 0.3 m/s. No se recomiendan cambios bruscos en el tubo de succión, el cárcamo y el tubo de alimentación (Figura 3.2c).

• Bombas trabajando en un mismo cárcamo operarán mejor sin muros divisorios siempre y cuando no estén en operación al mismo tiempo, en cuyo caso el uso de separaciones es recomendable (Figura 3.2b). Si se usan paredes de separación con fines estructurales y las bombas van a operar intermitentemente, se debe dejar un espacio entre cada pared o división. Si es necesario usar estas paredes, se debe aumentar la dimensión (S) por medio de la amplitud de la pared para corregir el espacio en la línea central; ya sea que las terminales de los separadores sean en forma redonda u ojival.

23

• Debe acoplarse un tubo relativamente pequeño para alimentar una bomba de gran tamaño dentro del cárcamo, usando una sección cónica de diámetro gradualmente menor a mayor. El ángulo deberá ser lo más grande posible, de preferencia superior a 45 grados; con este arreglo, las velocidades deberán ser menores de 0.3 m/s. No se recomienda conectar un tubo pequeño directo a un cárcamo grande cuando las bombas queden muy cerca de la toma, pues el caudal sufrirá un cambio de dirección importante para llegar a la mayoría de las bombas. Centrar las bombas en el cárcamo produce grandes áreas de turbulencia atrás de las mismas, lo que afecta su operación.

• Un cambio brusco entre el tubo de entrada y el cárcamo se puede aceptar si su longitud es igual o excede a los valores que se muestran (Figura 3.2d) siempre y cuando la velocidad del agua sea <3 m/s. Si la relación W/P aumenta, la velocidad de la toma en “P” aumentará hasta un máximo permisible de 2.4 m/s, en W/P igual a 10.

• No se recomienda instalar las bombas en línea, a menos que la relación entre el cárcamo y bomba sea bastante grande y las bombas estén separadas por un margen longitudinal amplio (2 veces el diámetro de la bomba).

• Muchas veces es conveniente instalar las bombas en túneles o líneas de tuberías (Figura 3.2e). Un tubo protector o una lumbrera que aloje la bomba junto con un tubo de succión con entrada en “L” y orientado hacia la corriente, es adecuado para caudales hasta de 2.4 m/s. Si no se instala la entrada en forma de “L”, la campana de la bomba deberá estar por lo menos a dos diámetros verticales arriba de la parte superior del túnel y no suspendida dentro del flujo del túnel, especialmente si las velocidades en el túnel son mayores de 0.6 m/s.

• No debe haber aire a lo largo de la parte superior del túnel. Para ello es necesario profundizar la excavación o conservar el nivel del agua a su mínimo cuando se trate de un pozo vertical.

• Una alternativa para la Figura 3.2b, es establecer respiraderos en las paredes laterales, partiendo del centro al punto más bajo del nivel mínimo del agua; esto permitirá desalojar el flujo de las cámaras donde no existe el bombeo (Figura 3.2f).

24

Figura 3.2 Cárcamo para varias bombas

s s916 D

α

α mínimo 45°α preferible 75°

Auméntese el espesor delmuro divisor a la distanciaentre ejes de la bomba

Extremidades de los murosojivales o circulares

Entre la pared y el murodivisor déjese un espaciode aproximadamenteD

3D

Ve = 0.3 m/so menos

S = 1 a 2 D12Ve

DD

NO RECOMENDADO

Muro divisor

Ve

Alimentación

Ve = 0.6 m/so masSi A es menor de8 diámetros

Ve

AA

2

AD

a) b) c)

D

L

DW

VpP W/P 1.5 1.5 2.0 4.0 10.0

L 3D 6D 7D 10D 15DV 0.3 0.6 1.2 1.8 2.4 m/sp

V hasta 2.4 m/s

2F F

Los desarenedores, rejas y pichanchas deberáncolocarse transversalmente a la entrada del canalal principio de la sección más ancha

RECOMENDADO

NO RECOMENDADO A MENOS QUE:L

VI

S

W

D W = 5 diámetros o másV = 0.06 m/s o menosL = Igual que al cuadro anteriorS = mayor que 4 D

I

V=0.6 m/sd) e)

RECOMENDADO ALTERNADO CON (b)

Aberturas enel separador

Nivel mín.del agua

Aberturas enel separador

RECOMENDADO

Fig 3.2

25

3.3.1 Altura En los sistemas de bombeo, el término altura se refiere tanto a una bomba como a un sistema de tuberías. La altura de una bomba es la distancia a la que puede elevar el líquido y se mide en metros de columna del líquido bombeado. La altura necesaria para vencer las pérdidas que se producen en las conducciones de un sistema a un caudal dado es la altura del sistema. El término altura expresa la distancia vertical entre la superficie libre de agual y una cota de referencia. Por ejemplo, si se conecta a una tubería a presión un tubo vertical de diámetro pequeño con el extremo superior abierto, la altura en la distancia media entre la superficie libre del líquido en el tubo y el eje de la tubería a presión. Los términos que se utilizan específicamente en el análisis de bombas y sistemas de bombeo son: a) Altura geométrica de succión La altura geométrica de succión, hs, es la diferencia de cotas existentes entre el nivel del líquido en la succión y el eje del rodete de la bomba. Cuando el nivel del líquido en la succión está situado por debajo del eje del rodete, se trata de una elevación por succión. Las bombas para aguas residuales se suelen instalar con una pequeña altura geométrica de succión positiva (succión en carga), tal como se muestra en la Figura 3.3, para evitar tener que incluir un dispositivo de cebado que podría obturarse por los sólidos presentes en el agua residual, impidiendo el funcionamiento de la bomba. b) Altura geométrica de elevación La altura geométrica de elevación, hd, es la diferencia de cotas existentes entre el nivel del líquido en la descarga y el eje del rodete de la bomba. c) Altura geométrica total La altura geométrica total, Hgeom, es la diferencia entre las cotas de los niveles del líquido en la descarga y succión (hd – hs). d) Pérdidas por fricción La altura o carga de agua que debe suministrarse al sistema para vencer la fricción que produce el flujo del agua a través de las tuberías del sistema, es la pérdida por fricción. Las pérdidas por fricción en la succión (hfs) e impulsión (hfd) se calculan mediante la fórmula de Darcy-Weisbach o la de Hazen-Williams.

26

Darcy-Weisbach 52

28gD

fLQh f π= (3.2)

Hazen-Williams 54.0/1

87.485.1

85.17.10⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

DCLQh f (3.3)

donde: hf : Pérdida de carga, m f, C : Coeficiente de fricción L : Longitud de la tubería, m V : Velocidad media, m/s D : Diámetro de la tubería, m g : Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 Q : Caudal, m3/s e) Altura de velocidad La altura de velocidad es la energía cinética contenida en el líquido bombeado en cualquier punto del sistema y está dada por:

gVvelocidaddeAltura2

2

= (3.4)

donde:

V: Velocidad del líquido, m/s g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2. Para determinar la altura en un punto dado del sistema, hay que añadir la altura de velocidad a la lectura del manómetro. f) Pérdidas de carga localizadas La altura o carga de agua que debe suministrarse para vencer las pérdidas que se producen en piezas especiales y válvulas se denomina pérdida de carga localizada o singular. Las pérdidas localizadas en la succión (hms) e impulsión (hmd) suelen estimarse como una fracción de la altura de velocidad utilizando la siguiente expresión:

gVKhm 2

2

= (3.5)

27

donde: hm: Pérdida de carga localizada, m K: Coeficiente de pérdida de carga. g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 g) Altura manométrica total La altura manométrica total, Ht, es aquella contra la que trabaja la bomba durante su funcionamiento. Su determinación se realiza a partir de la alturas geométricas de succión y elevación, las pérdidas por fricción, la altura de velocidad y las pérdidas localizadas. La expresión para el cálculo de la altura manométrica total de una bomba se calcula con la ecuación 3.6 (véase Figura 3.3).

gV

gVHHH sd

SDt 22

22

−+−= (3.6)

mdfddD hhhH ∑++= (3.7)

gVhhhH s

msfssS 2

2

−∑−−= (3.8)

donde:

Ht: Altura manométrica total, m HD (HS): Altura de elevación (succión) medida en la boquilla de descarga

(succión) con referencia al eje del rodete de la bomba, m Vd (Vs): Velocidad en la boquilla de descarga (succión), /s g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 hd (hs): Altura geométrica de elevación (succión), m hfd (hfs): Pérdida de carga por fricción hmd (hms): Pérdida de carga localizada en la impulsión (descarga) del

sistema. Estos términos se ilustran gráficamente en la Figura 3.3. Todos ellos se expresan en metros de columna de agua.

28

Figura 3.3 Diagrama esquemático de la altura de elevación de una bomba 3.3.2 Condiciones de succión La succión nunca debe ser superior a 10.33 m snm. La máxima succión está dada por la expresión

Ha = 10.33 m – (A + B + C + D) (3.9)

donde: A: Pérdidas en la tubería de succión B: Pérdidas debidas a la altitud. La presión atmosférica a nivel del mar y 0 ºC

es de 10.33 m, disminuyendo 1.16 mm por metro de altura, equivalente a 0.086 mm de columna de mercurio.

C: Pérdidas debidas a la temperatura D: Pérdidas debidas a la construcción de la bomba, que varían con el

diámetro, la velocidad de giro y CSPN (Carga de Succión Positiva Neta). Se recomienda 0.9 Ha para evitar cavitaciones.

Hs

Vs2

2g

Vd2

2g

Vd2

2g

Descargade la bomba

hd

Ho

hs

Pérdida enla entrada

h h + Σfd md

Ht

Plano de referencias

Motor

Toma deaspiración

Bomba

h h + Σfs ms

29

Tabla 3.1 Pérdida de presión, según temperatura

Temperatura ºC 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pérdida de presión metros de agua 0.10 0.22 0.47 0.80 1.35 2.10 3.20 4.75 7.20 10.33

Fuente: Hernández, M. 1996. 3.4 CÁLCULO HIDRÁULICO DEL VOLUMEN 3.4.1 Caudal a elevar y tiempo de funcionamiento de las bombas El caudal Q a elevar se calcula en función del volumen diario de agua por mover y del tiempo de funcionamiento del grupo. Para las instalaciones en funcionamiento teórico continuo por seguridad se considera un tiempo de funcionamiento igual a 20 horas, pero con frecuencia se estima el tiempo de funcionamiento entre 8 y 12 horas. Cuando las bombas funcionan con motores eléctricos se reduce el tiempo de funcionamiento, de modo que se puedan aprovechar las tarifas reducidas durante las horas de bajos caudales de agua. Es obligatorio contar con dispositivos de cebado en las bombas centrífugas antes de su puesta en servicio. Cuando se quiera conseguir alturas manométricas elevadas es preciso emplear bombas multicelulares, conseguidas colando en serie varias bombas centrífugas. Por el contrario para grandes gastos y pequeñas alturas el acoplamiento se hará en paralelo. La reserva contra averías se establecerá con base en un equipo de reserva de igual capacidad que el de trabajo, si la potencia instalada es inferior a 10 HP. Cuando la potencia sea superior a 10 HP, se instalarán tres equipos, dos de trabajo y uno de reserva. En poblaciones con crecimiento rápido, en los que el caudal es elevado, se instalan bombas suficientes para la mitad del caudal previsto y se ponen en reserva las necesarias para el máximo caudal, para que en su momento, se amplíe la instalación de trabajo al doble, quedando de reserva la misma. Los equipos de reserva podrán estar accionados por motores de combustión interna o eléctricos, no siendo admisibles los primeros cuando estén situados a profundidades superiores a 4.0 m, o en lugares de ventilación insuficiente. 3.4.2 Diámetro del conducto de impulsión Teóricamente, el diámetro más económico debe basarse en los costos de energía de bombeo junto con los de amortización de los de inversión correspondientes a la tubería de impulsión y cárcamo de bombeo. En la práctica, la selección del diámetro viene gobernada normalmente, por la necesidad de mantener 1) una velocidad adecuada para el caudal mínimo que evite la deposición de sólidos o 2) una velocidad capaz de arrastrar los sólidos depositados al menos una vez durante el

30

día. En consecuencia, la selección de las bombas depende de si éstas son capaces de descargar los caudales deseados a las alturas manométricas necesarias según el diámetro de la tubería de impulsión. Sin embargo, ocurre que, a menudo, no es factible dimensionar las tuberías de impulsión de gran longitud, basándose exclusivamente, en las limitaciones de la velocidad para el caudal mínimo. En tales casos, lo más conveniente es elegir el tamaño más económico de la tubería que consiga velocidades de flujo adecuadas para el intervalo total de caudales, actuales y futuros, y, a continuación, seleccionar las bombas. Una vez efectuado este predimensionamiento, puede resultar que sea necesario emplear un diámetro mayor para reducir las pérdidas por fricción, de manera que pueda hacerse una selección más adecuada de las bombas. Cuando la diferencia entre los caudales iniciales y futuros sea considerable, puede ser necesario instalar, en primera etapa, una tubería de impulsión de menor tamaño e instalar, más adelante, una segunda. Las tuberías de impulsión suelen tener, por lo general, diámetros superiores a 200 mm. En algunos casos pueden utilizarse tuberías de 150 mm en cárcamos de bombeo pequeños y tuberías de impulsión de poca longitud y de 1000 mm en cárcamos de eyectores pequeños. 3.4.2.1. Pérdida de carga en las tuberías de impulsión La curva del sistema es una representación gráfica de la altura manométrica total (altura geométrica más pérdidas de energía cinética), respecto a los caudales correspondientes. Las pérdidas por fricción en las tuberías de impulsión suelen determinarse mediante la fórmula de Hazen-Williams. Se recomienda utilizar los siguientes valores de C para condiciones de proyecto: C = 100 para tuberías de acero y hierro dúctil sin revestimiento interno.

C = 120 para tuberías de acero y hierro dúctil con revestimiento de cemento, tuberías de concreto y concreto preesforzado, tuberías de acero de diámetro igual o superior a 500 mm con revestimiento bituminoso o mortero de cemento y para varios tipos de tuberías de plástico.

54.063.0849.0 SCRV = (3.10)

donde: V: Velocidad, m/s C: Coeficiente de rugosidad R: Radio hidráulico, m S: Pendiente de la línea de carga, m/m. Las pérdidas por fricción pueden también calcularse utilizando la fórmula de Darcy-Weisbach con valores adecuados de f.

31

3.4.2.2. Velocidades en la tubería de impulsión Los criterios relativos a las velocidades en las tuberías de impulsión han sido desarrollados basándose en que los sólidos no se depositan cuando la velocidad de circulación es igual o mayor a 0.6 m/s. A velocidades inferiores, o cuando se produce el paro de las bombas, los sólidos se sedimentan por lo que es preciso conseguir una velocidad igual o superior a 1.1 m/s para arrastrarlos de nuevo. En los cárcamos de bombeo de tamaño medio o pequeño, que sirven únicamente a parte de una zona dotada de red de alcantarillado en donde el caudal puede ser bombeado de forma intermitente, las velocidades deseables en las tuberías de impulsión varían entre 1.1 y 1.5 m/s. Un cárcamo pequeño suele tener dos bombas, una de las cuales está de reserva, de manera que el caudal de bombeo es el máximo o nada. En cárcamos pequeños que funcionan intermitentemente, los sólidos del agua residual se depositarán en la tubería de impulsión cuando se pare el bombeo. Es deseable que la velocidad de circulación sea de 1.1 m/s para asegurar el arrastre de los sólidos depositados. En un cárcamo pequeño que conste de dos bombas, debe ser posible el funcionamiento simultáneo de ambas, aún cuando sólo se precise una de ellas para bombear el caudal de proyecto. Si los caudales son demasiado pequeños para garantizar que la velocidad de circulación para el caudal de proyecto será de 1.1 m/s, se pueden seleccionar las bombas de manera que su funcionamiento conjunto produzca la velocidad mínima deseada de 1.1 m/s. En este caso, las dos bombas se hacen funcionar simultáneamente mediante control manual una vez por semana durante un tiempo suficientemente largo para limpiar la tubería. Los cárcamos de este tipo de mayor tamaño pueden tener tres o cuatro bombas iguales, de las cuales una está de reserva. En un cárcamo de tres bombas, se pueden conseguir velocidades en la tubería de impulsión de aproximadamente 0.9 y 1.5 m/s con una o dos bombas en funcionamiento, respectivamente. En estaciones con cuatro bombas se pueden tener velocidades del orden de 0.7, 1.2 y 1.7 m/s con una, dos o tres bombas en funcionamiento, respectivamente. Estas velocidades tienen en cuenta la ligera reducción de la capacidad de las bombas que se produce por razón de las mayores pérdidas por fricción resultantes al aumentar los caudales. En la siguiente Tabla se indican las capacidades necesarias de las bombas para mantener velocidades de 0.6 y 1.1 m/s en tuberías de impulsión de 150 a 300 mm de diámetro.

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Tabla 3.2 Caudal de las bombas para mantener las velocidades mínimas en las tuberías de impulsión

Caudal de la bomba, m3/s Diámetro de la tubería de impulsión, mm V = 0.6 m/s V = 1.1 m/s

150 200 250 300

0.011 0.020 0.031 0.045

0.019 0.035 0.054 0.078

Fuente: Metcalf and Eddy 1985. El diámetro del conducto de impulsión se establece a partir de criterios económicos. En su cálculo se considera • Costos de amortización de la conducción. • Costos de amortización de las bombas. • Costos de funcionamiento y mantenimiento. A partir de estos datos se calcula el diámetro más económico y por consiguiente la velocidad más económica, haciendo que la suma de los costos considerados sea mínima. Para cálculos de anteproyecto se utiliza la fórmula de Bresse

QHD = (3.11) donde:

D: diámetro, m Q: gasto, m3/s H: coeficiente cuyo valor más frecuente es 1.5

Para elegir el diámetro de la conducción de impulsión se considera los valores comerciales más próximos, y se comparara los costos de amortización y funcionamiento. Una cifra límite para considerar en la elección del diámetro corresponde a aquella en que las pérdidas de carga son menores al 10% de la altura geométrica. Cuando es preciso instalar conos de reducción para acoplar la sección de los conductos a los orificios de la bomba, la longitud de dicho cono será siete veces la diferencia entre el diámetro interior del conducto y el del orificio de la bomba.

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3.5 GOLPE DE ARIETE En el caso de paro rápido de las bombas o de fallo del suministro eléctrico, tanto el caudal como la velocidad en la tubería se encuentran inicialmente en estado permanente. Si embargo, cuando se corta el suministro de energía al motor, la bomba se desacelera rápidamente desde su velocidad de régimen hasta cero, dando lugar a una rápida disminución del caudal descargado a la tubería. Esta disminución origina una onda de presión negativa (por debajo de la presión normal) que se traslada velozmente desde el cárcamo de bombeo a lo largo de la tubería de impulsión hasta su extremo final, dando lugar a una deceleración del caudal de acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton. Cuando la onda de presión negativa alcanza el extremo final de la tubería de impulsión, sufre una reflexión que la hace desplazarse en forma de onda de presión positiva hasta el cárcamo de bombeo, decelerando adicionalmente el flujo durante su recorrido. Cuando la onda de presión positiva alcanza el cárcamo de bombeo, se completa un ciclo de desplazamiento y la onda es reflejada de nuevo produciéndose una segunda onda de presión inferior que se desplaza por la tubería. Esta secuencia se repite durante el tiempo en que la velocidad y descarga de la bomba continúan su decrecimiento. En muy poco tiempo, la velocidad de la bomba se reduce hasta un punto en el que no puede desarrollar suficiente presión para el bombeo. En ese momento, la válvula de retención situada en la descarga de la bomba y que normalmente se utiliza para evitar la inversión del flujo a través de aquella, se cierra aislando la bomba de las condiciones transitorias que tienen lugar en la tubería de impulsión. Sin embargo, las variaciones de caudal y velocidad continúan hasta que toda la energía se disipa en vencer la resistencia al rozamiento de la tubería. Durante esta secuencia de acontecimientos la carga en el extremo final de la tubería de impulsión permanece constante. En los puntos intermedios, la carga resultante viene determinada por la suma de las presiones de las ondas positivas y negativas. El tiempo empleado por la onda de presión en desplazarse por la tubería y volver al punto de partida se denomina tiempo crítico y viene dado por:

aLT 2

= (3.12)

donde:

T: Tiempo crítico, s L: Longitud de la tubería de impulsión entre el punto de cambio del caudal y

el de reflexión, m a: Velocidad de la onda de presión, m/s

La magnitud del incremento de la presión en el punto de cambio del caudal es función de si el flujo se detiene al cabo de un intervalo de tiempo igual, menor o mayor que el tiempo crítico. La velocidad de la onda de presión y la magnitud del incremento de la presión se estudian a continuación.

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Para el cálculo del golpe de ariete se empleará la formula de Michaud

gTLVH 2

=Δ cuando 2

aTL < (3.13)

y la fórmula de Allievi

gaVH =Δ cuando

2aTL > (3.14)

)/(11440

eEdKCa

××+= (3.15)

donde:

H: presión estática, m a: Velocidad de propagación de la onda, m/s V: Velocidad inicial del agua, m/s L: longitud de la tubería, m C: 1, en tuberías con junta de expansión, C = 1 - μ2 en tuberías con

movimiento axial impedido, C = 5/4 - μ2 con tuberías sin juntas de expansión y fijas en el extremo

μ: Módulo de Poisson K: Módulo de masa de agua, K = 2070 MN/m2 d: diámetro de la tubería, mm E: Módulo de elasticidad de la tubería, MN/m2 e: Espesor de la pared de la tubería, mm g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 T: Tiempo de cierre, s ΔH: Sobrepresión debida al golpe de ariete

En el pasado, el análisis del golpe de ariete en tuberías de impulsión para determinar las presiones máxima y mínima se llevaba a cabo empleando métodos gráficos, integración aritmética o ábacos de golpe de ariete. En la actualidad, la gran accesibilidad a las computadoras, ha proporcionado un sistema muy adecuado y de muy buena relación costo-efectividad para analizar los problemas relativos al golpe de ariete y a los regímenes hidráulicos transitorios. Por ejemplo, con un programa adecuado, la tubería de impulsión puede subdividirse en diez o más tramos de igual longitud cuyos puntos de separación se corresponden muy próximamente a los puntos altos del perfil o a cambios del diámetro o del material de la tubería. El efecto de la existencia de puntos altos, la posibilidad de separación de la columna de agua en los mismos y las sobrepresiones que se producen al juntarse de nuevo las columnas de agua no son despreciables en absoluto y pueden ser analizadas prefecta y económicamente por medio de un programa bien concebido.

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3.5.1 Control del golpe de ariete El objetivo del control del golpe de ariete es limitar la variación de las presiones en la tubería de impulsión, dentro de un rango determinado de valores, mediante la reducción de las variaciones de la velocidad. Los problemas del golpe de ariete en los cárcamos de bombeo y tuberías de impulsión de aguas residuales pueden ser simples o complejos. En consecuencia, los sistemas de control del golpe de ariete necesarios para proteger las bombas y tuberías de impulsión pueden ser muy sencillos o muy elaborados. Los sistemas de control normalmente empleados son los siguientes: a. Válvula de retención situada en la descarga de las bombas, dotada de

contrapeso y manivela para ayudar la maniobra de cierre. b. Válvula de retención de resorte situada en la descarga de las bombas. c. Válvula de retención de cualquiera de los dos tipos anteriores junto con una

válvula reguladora de alta presión. d. Válvula de control positivo situada en la descarga, enclavada de manera que se

abra a una presión prefijada durante el arranque y se cierre a velocidad predeterminada después del corte de energía.

e. Válvula de purga y admisión de aire situadas en el cárcamo de bombeo y en los puntos altos de la tubería de impulsión para limitar el desarrollo de presiones inferiores a la atmosférica.

3.5.2 Válvulas de retención En casos sencillos, tales como cárcamos de bombeo pequeños o medios con tubería de impulsión de corta longitud (menor de unos 500 m) con trazado ligeramente ascendente y pequeñas alturas geométrica de elevación (del orden de 15 a 20 m), el sistema de control puede consistir en una válvula de retención con contrapeso y manivela, situada en la descarga de la bomba para ayudar la maniobra de cierre del disco de la válvula cuando se invierte el sentido del flujo. Los módulos de elasticidad y Poisson Figuran en la Tabla 3.3.

Tabla 3.3 Módulos de elasticidad y de Poisson

Material de la tubería Módulo de elasticidad E, kg/cm2 x 10-6

Módulo de Poisson μ

Acero 2.10 0.2 Fibrocemento 0.234 0.2

Concreto reforzado 2.0 0.2 PVC. 0.028 0.4

PRFV. 0.14 – 0.21 0.3 PVC = Policloruro de vinilo, PRFV = Plástico reforzado con fibras de vidrio Fuente: Hernández, M. 1996.

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Cuando en la tubería de impulsión no existen puntos altos el cálculo del tiempo de cierre se efectúa mediante:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

mgHLVT 12

(3.16) donde

T : Tiempo de cierre de la válvula de protección, doble del tiempo necesario para que se anule la velocidad, s.

Hm: Desaceleración media de la presión, incluyendo la fricción, m L : Longitud de la tubería, m V : Velocidad inicial del agua, m/s g : Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.

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4 ACCESORIOS E INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DEL CÁRCAMO DE BOMBEO 4.1 VÁLVULAS Y COMPUERTAS El principal problema de control que se tiene en los cárcamos es el de impedir el paso del agua cuando se requiera, como es el caso de la limpieza periódica o para hacer alguna reparación. También conviene impedir el flujo cuando las bombas no trabajan para evitar la acumulación de arenas y lodos en el interior, a este control, se le conoce como emergencia, pues el gasto requerido se regula mediante el mismo equipo de bombeo. Así mismo, en ocasiones se requiere impedir que el flujo retorne en contra de un determinado sentido de circulación y, muchas veces también se requiere poder mantener el flujo a una determinada presión de servicio o liberar el exceso de presión cuando esta sobrepasa ciertos límites de seguridad. Para hacerlo se emplean las válvulas y las principales de cada función son: 4.1.1 Permitir el paso de un flujo o detenerlo Las válvulas más convenientes para abrir o cerrar por completo el paso de un fluido son las de compuerta (Figura 4.1), ya que producen un cierre hermético cuando están cerradas y cuando están abiertas permiten el máximo paso al fluido con la mínima pérdida de carga.

Figura 4.1 Válvula tipo compuerta: partes principales Se construyen en todos los diámetros entre 0.6 cm (1/4”) y 91.4 cm (36”).

Manubrio

Tuerca del manguito del yugo

Yugo

Manguito del yugo

Brida del prensador

Pernos del prensador

Prensador

Empaque

Caja del empaque

Boquilla del bonete

Pernos sujetadores del bonete

Bonete

Vástago

Anillos del asiento del disco

Espejo

Anillos de asiento del cuerpo

Cuerpo

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4.1.2 Regular o limitar el flujo Las válvulas más adecuadas para esta función son las de globo y de ángulo (Figura 4.2). Dichas válvulas tienen sus asientos construidos de tal modo que producen un cambio en la dirección del flujo que las atraviesa, incrementado su resistencia al paso en forma gradual, según la posición de cierre. Estas válvulas se usan poco para los diámetros mayores de 30.5 cm (12”) debido a los grandes esfuerzos que requieren para ser operadas bajo altas presiones.

Figura 4.2 Válvula tipo globo 4.1.3 Evitar el retorno del flujo Para esta función se utilizan las válvulas de retención (check), mostrada en la Figura 4.3. Estas válvulas se construyen en dos tipos distintos, conocidos como: retención a bisagra y retención horizontal. Ambos tipos están diseñados para producir la misma simple función de permitir el paso del flujo sólo en una dirección, de modo que el sentido del flujo las abre, mientras que la fuerza de la gravedad y el contrasentido del mismo flujo las cierra automáticamente. Las válvulas de retención a bisagra se usan con las válvulas de compuerta y las de tipo horizontal con las válvulas de globo.

Manubrio

Tuerca del manubrio

Vástago

Tuerca del empaquePrensadorEmpaqueCaja del empaqueBonete

Tuerca del bonete

Anillo del sujetador

Arandela de seguroAsiento

Disco

Cuerpo

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Figura 4.3 Válvula tipo retención a bisagra 4.1.4 Regulación de presión y/o gasto Estas válvulas se utilizan cuando es necesario reducir la alta presión variable existente en el suministro de entrada, a una presión más baja y constante requerida por el servicio. Estas válvulas no sólo reducen la presión, sino que la mantienen a los valores prefijados en forma independiente de la cantidad de fluido que pasa a través de ellas, todo dentro de límites razonables previamente establecidos. Las válvulas reguladoras de gasto funcionan de manera muy similar a las válvulas reguladoras de presión, sólo que en vez de reducir y mantener la presión de salida, reducen y mantienen el gasto de salida. Dichas válvulas son muy utilizadas en diámetros mayores a 15.3 cm (6”). Los tipos de válvulas más recomendables usadas para agua y agua residual se presentan en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1 Recomendaciones para uso de válvulas de aislamiento Agua Agua residual Cruda Limpia Cruda Tratada Angulo Bola Mariposa Cono Diafragma Compuerta Doble disco Aguja Canal Globo Excéntrica

B B B B P

B B B N B

B B B B P

B B B B B

N B N B P I B B N B

B I B B B

B B B I B

B = Bueno, I = Imparcial, N = no se usa, P = poco probable. Fuente: Sanks, R., 1989.

Pernos de la tapa

Tapa

Pasador de la bisagra

Bisagra de disco

Asiento del disco

Tuerca del disco

Disco

Anillo de asiento

Cuerpo

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4.2 REJILLAS Independientemente de su tamaño, todas las bombas, pueden obstruirse con trapos y otros materiales normalmente presentes en el agua residual. Los trapos tienen tendencia a engancharse en los componentes de la bomba, y a acumularse hasta que, eventualmente producen su atascamiento. Para evitar este problema, en la mayoría de los cárcamos, excepto en los más pequeños, se instalan dispositivos en la cámara húmeda que separe o desmenuce los trapos y otros materiales. Los dispositivos más comunes son las rejillas y desmenuzadores. Una rejilla es un dispositivo formado por un conjunto de barras paralelas cuya misión es separar los objetos contenidos en el agua residual a medida que pasan a través de las mismas, en la Figura 4.4. se muestran un tipo de rejillas. Normalmente, las rejillas son de limpieza automática, aunque se emplean en caso de emergencia las rejillas de limpieza manual, situadas en canales dobles, cuando las de limpieza automática están fuera de servicio. Los residuos extraídos deben ser debidamente dispuestos en rellenos sanitarios, o bien pueden ser triturados y retornados al agua residual. En las rejillas, cuanto menor sea la separación entre barras, mayor será la cantidad de residuos a extraer. En consecuencia, la separación deberá ser lo suficientemente pequeña para proteger las bombas, pero tan grande como sea posible para reducir la cantidad de residuos a extraer. Si el único criterio a aplicar es la protección de las bombas, se sugiere adoptar una separación entre barras del orden de un tercio del máximo tamaño de sólidos que puede manejar la bomba. La mínima separación entre barras normalmente utilizada es de 100 mm. Cuando se utilicen separaciones menores a 75 mm, es de esperar que se presenten problemas porque se separarán sólidos putrescibles, conjuntamente con el resto de residuos, que pueden producir malos olores. Existen varios tipos de rejillas, clasificándose de acuerdo con: a) Inclinación

• Horizontales • Verticales • Inclinadas

b) Separación libre entre barras

• Finas • Medias • Gruesas

Aunque no existe un criterio único para la delimitación de los distintos tipos, se pueden considerar como rejillas finas aquellas en que la separación libre de aperturas es inferior a 1.5 cm.

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La distancia entre barras, en las llamadas rejillas de separación media, oscila entre 1.5 y 5.0 cm. Son las más empleadas en la actualidad, puesto que retienen la mayor parte de las sustancias arrastradas que no pueden eliminarse por sedimentación. Para el desbaste grueso del efluente se emplean rejas de abertura entre 5 y 15 cm cuya limpieza se suele realizar manualmente. Se colocan en la entrada del colector a la planta de tratamiento, sirviendo como pretratamiento respecto a la rejilla media colocada a continuación.

Figura 4.4 Rejilla plana e inclinada con peines de limpieza movidas por cadena

En cualquier caso, interesa la colocación de rejillas bien calculadas con lo que se evitan perturbaciones posteriores, que restan eficacia a todo el sistema de tratamiento. 4.3 DESMENUZADORES Un desmenuzador es un dispositivo mecánico que separa los sólidos del agua residual a medida que pasa a través del mismo y, a continuación, los corta y desmenuza en tamaños suficientemente pequeños para que puedan pasar a través del dispositivo de desbaste y de las bombas sin producir atascamientos. Los trapos desmenuzados tienen tendencias, cuando son agitados, a aglomerarse formando bolas. Ello puede no constituir un problema en un cárcamo de bombeo en el que lo único que se pretende es la protección de las bombas, pero si puede serlo en una planta de tratamiento en la que las bolas de trapo pueden afectar algún proceso de tratamiento.

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Existen dos tipos de desmenuzadores: desmenuzador sin elevación y con elevación de agua. En los dos casos, se trata de aparatos adaptados especialmente para el tratamiento de aguas residuales, y capaces de absorber las materias contendidas normalmente en esta agua, después de un desbaste, la rejilla de separación entre barrotes de 50 a 80 mm, reduce los sólidos a tamaños de unos milímetros de diámetro. 4.3.1 Desmenuzador sin elevación de agua Consiste en un tambor giratorio, perforado con ranuras horizontales que actúan como rejas. Dicho tambor tiene dispuestos, en filas verticales, unos dientes de acero que encajan con los huecos de un rastrillo emplazado en el armazón. El tambor tiene el fondo abierto, y se coloca parcialmente sumergido en el emisario, de modo que el agua atraviesa las ranuras, quedando detenidas las substancias gruesas flotantes en las mismas, para ser arrastradas por el giro del tambor y cortadas al pasar entre los dientes y el rastrillo. El triturados Passavant mostrado en la Figura 5.10, es a base de martillos alojados en un cuerpo de fundición provisto de huecos. El martillo (b), accionado por el motor eléctrico (a), apoya sobre el cuerpo de fundición (d), con hendiduras y brazo oscilante (c), y por sus acciones violentas y repetidas de fricción y desmenuzado produce la trituración. Las materias a triturar llegan tangencialmente al agua en la precámara (e), en la que el torbellino producido (f) las aspira hacia la cámara de trituración. Los elementos duros (metales, piedras, etc.) caen a la cámara inferior (g) y se pueden retirar fácilmente con un rastrillo por la pendiente (h), incluso durante el funcionamiento del triturador. 4.3.2 Desmenuzador con impulsión de agua Los desmenuzadores con bombeo trituran los sólidos a la vez que impulsan las aguas residuales. Su capacidad de impulsión no es elevada, instalándose muchas veces, en la tubería y en serie, un elemento triturador seguido de la bomba impulsora. 4.4 AUTOMATIZACIÓN La instrumentación en los cárcamos de bombeo incluye controles automáticos para el funcionamiento secuencial de las bombas; controles manuales para el mismo propósito y las alarmas de problemas de funcionamiento. Todos estos instrumentos deben instalarse en un panel de control cuyas características dependen del tipo de cárcamo de bombeo.

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4.4.1 Controles automáticos El control automático se basa, casi siempre, en el nivel del agua en la cámara húmeda. El aspecto más importante es el relativo al método utilizado para medir el nivel del líquido en el cárcamo de bombeo. Estos sistemas incluyen flotadores, electrodos, tubos de burbujas, medidores sónicos y tubos de capacitancia. También se han utilizado sensores de diafragma. Cada uno de estos sistemas se describe en la Tabla 4.2. 4.4.2 Controles manuales Aparte del control automático, las bombas deben poder ser accionadas manualmente durante emergencias en las que los controles automáticos no funcionen y durante su mantenimiento. El control debe incluir tanto el relativo al funcionamiento a velocidad constante como a velocidad variable. El sistema de control manual debe permitir el desvío del control de paro de nivel mínimo pero no la alarma correspondiente al mismo, ya que esta debe ser independiente y funcionar en el caso debido. 4.4.3 Alarmas El sistema de control debe incluir alarmas. Los cárcamos que no cuentan con personal permanente, deben disponer de una alarma que se transmita telemétricamente, o por cualquier otro método, hasta un punto en el que haya vigilancia continua. Las alarmas deben incluir los siguientes elementos:

• Nivel máximo del agua en el cárcamo de bombeo. • Nivel mínimo del agua en el cárcamo de bombeo. • Fallo de las bombas (en cárcamos dotados de bombas de velocidad variable o

con sistema de control complejo). La alarma de nivel máximo debe estar por encima del arranque de la última bomba dentro de la secuencia normal de bombeo, pero por debajo del arranque de la bomba de reserva. Esta disposición permite identificar el fallo de una de las bombas de funcionamiento normal cuando todavía se dispone de la de reserva. La alarma de nivel mínimo se coloca por debajo del punto de paro de la primera bomba (de un grupo de bombas) para indicar un mal funcionamiento del sistema de control del bombeo. Normalmente, se debe tener un dispositivo de paro de emergencia por bajo nivel del agua que deja fuera de servicio todas las bombas antes de que vacíen el cárcamo de bombeo. Las alarmas que indican un mal funcionamiento de los controles de la velocidad, se instalan, normalmente, para las bombas de velocidad variable, normalmente, para las de velocidad variable. El origen de la señal depende del tipo de bomba de velocidad variable de que se trate.

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4.4.4 Diseño del panel de control En los cárcamos de gran capacidad se debe instalar un panel de control en el que se centralice la instrumentación, y que debe incluir los siguientes elementos: • Indicador del nivel del agua en el cárcamo de bombeo. • Indicador de funcionamiento del medidor de caudal. • Interceptores para la selección de la secuencia de bombeo que permita fijar el

orden de funcionamiento de las bombas normales y la de reserva. • Controles de funcionamiento para cada bomba incluyendo:

a) Interceptor de tres posiciones (manual, paro, automático). b) Señales luminosas indicadoras de funcionamiento o paro. c) Controles de la velocidad variable (cuando las bombas sean de este tipo).

o Control manual-automático de velocidad. o Indicador de velocidad.

d) Amperímetros para cada bomba o medidores de potencia consumida. • Panel indicador de alarmas en que se señalen las alarmas individuales y los

mandos de las señales acústicas. El número de elementos por incluir en el panel de control depende de la complejidad y las necesidades de cada sistema. 4.4.5 Medida de caudal En ocasiones, los cárcamos de bombeo incorporan medidores de caudal. Para bombas de velocidad constante, el sistema de medida más sencillo es el uso de contadores horarios en los arrancadores de los motores. Puesto que este tipo de bombas tiene una descarga relativamente constante, si se conoce el tiempo de funcionamiento puede conocerse un volumen aproximado de bombeo. En los cárcamos de gran capacidad, la medición de caudal se lleva a cabo mediante medidores tipo Venturi o tubos de flujo. En la actualidad es raro utilizar medidores Venturi porque no suele disponerse de espacio suficiente para el tramo recto de tubería donde ha de alojarse el medidor. Los tubos de flujo son de uso más común debido a que se requieren tramos rectos de muy poca longitud antes del medidor. 4.5 SELECCIÓN DE LOS PUNTOS DE CONTROL DE LAS BOMBAS En el cárcamo de bombeo se requiere un intervalo de control de por lo menos 1 m entre los niveles máximo y mínimo. La distancia entre los puntos de control (arranque y paro de las bombas sucesivas) debe ser, como mínimo de 75 mm y preferiblemente 150 mm. Esta separación mínima es necesaria para permitir la histéresis en el sistema de control y asegurar la repetibilidad de los componentes del mismo.

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4.5.1 Bombas de una o dos velocidades Ambos tipos de bombas son las de control más sencillo, requiriéndose únicamente un conjunto de interruptores que permitan el paso de un escalón al siguiente. En el Ejemplo 6.5, Capítulo 6, se ilustra la manera de determinar los puntos de control para los interruptores de arranque y paro.

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Tabla 4.2 Dispositivos de control del nivel del agua en las cámaras de succión Dispositivo Descripción Instalación

Flotador

Se emplean en instalaciones sencillas que requieren, únicamente, control de paro y arranque. Cierto tipo de flotador consiste en un

interruptor de mercurio situado dentro de un elemento flotante que se encuentra suspendido de la parte superior de la cámara de succión.

A medida que asciende el líquido en ésta, el flotador se va inclinando hasta cerrar (o abrir) el interruptor de mercurio

Hay interruptores de flotador que pueden ejercer diversas acciones de control, como por ejemplo: 1) un interruptor de mercurio que suele

instalarse en cárcamos de bombeo prefabricados o pozos de bombeo con bombas sumergidas y 2) un flotador situado en una tubería que puede

conectarse a un tambor con resorte por medio de un cable o cinta. Este dispositivo indica el nivel de la cámara de succión pero no es muy utilizado debido a que puede verse afectado por la presencia de acumulaciones de

grasa dentro del tubo Electrodo

Este sistema utiliza un conjunto de electrodos montados a diferentes cotas en la cámara de succión. Cuando se eleva el nivel del líquido

en ésta y entra en contacto con los electrodos, se activan los circuitos eléctricos

A menudo se utilizan en cárcamos de eyectores neumáticos en donde se emplea el aire comprimido de la fase de trabajo del eyector para mantener

limpios los electrodos, aunque por lo general no suelen utilizarse en los cárcamos de bombeo. Las grasas y otros materiales presentes en el agua residual puede recubrir los electrodos colocados en la cámara de succión,

por lo que necesitan limpieza frecuente Tubo de burbujeo

Este método es probablemente el más utilizado para el control de niveles en cámaras de succión. Consiste en la introducción de un pequeño caudal de aire comprimido en un conducto cuyo extremo está abierto y sumergido en la cámara de succión. La presión por

aplicar depende de la altura del líquido sobre el extremo abierto del conducto. Esta presión indica la profundidad del líquido y sirve para controlar el funcionamiento de las bombas mediante interruptores

Puesto que la presión diferencial existente en el tubo es pequeña, a menudo se utiliza un transmisor de nivel para amplificar la presión

diferencial entre los niveles máximo y mínimo de la cámara de succión. Este sistema requiere poco mantenimiento, pues el aire comprimido mantiene al tubo libre de suciedad y de grasa. Si el tubo llegara a obturarse, se puede limpiar aislándolo de los elementos de control e inyectando en aquél aire a

presión elevada Medidor sónico

Se emplea para medir la distancia existente entre el medidor y la superficie del líquido en la cámara de succión

La localización del medidor es importante porque la señal emitida tiene forma de cono con el ángulo de 10º en el medidor. La existencia de

obstrucción dentro del cono, tales como paredes, etc. pueden falsear las lecturas. El medidor debe estar, aislado de señales eléctricas o acústicas

Tubo de capacitancia

Consiste en un tubo suspendido en la cámara de succión cuya capacitancia, medida en un circuito electrónico, es proporcional a la longitud sumergida del tubo. La señal de salida se utiliza para indicar

y controlar el nivel del agua en la cámara

Puede haber acumulaciones de materiales en el tubo sensor. Algunos aparatos cuentan con una compensación automática para tener en cuenta

la acumulación de grasa, pero son más caros.

Sensores de presión de diafragma

Su principio de funcionamiento es muy sencillo: la caja del diafragma se fija en una posición que es el punto de referencia para las

medidas. Cuando asciende el líquido por encima del diafragma, la presión que ejerce sobre el mismo comprime el aire existente dentro

de un conducto cerrado conectado a un elemento sensor de la presión, dando lugar a un sistema continuo de detección del nivel.

La grasa puede acumularse sobre el diafragma. Este debe de ser extraido para eliminarla y vuelto a colocar (sumergir) en el punto de referencia.

Fuente: Metcalf and Eddy 1985.

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4.5.2 Bombas de velocidad variable Las bombas de velocidad variable requieren controles más complejos que las de una o dos velocidades. Los dos tipos básicos de control de velocidad variable son los de niveles variables y de nivel constante. El primero es el más sencillo. Consiste en establecer una banda en el cárcamo de bombeo que produzca una señal y controle la velocidad de cualquiera de las bombas de velocidad variable que se encuentre en funcionamiento. Las bombas trabajarían a su máxima velocidad para el nivel mínimo. Las bombas se arrancan y paran por medio de interruptores de nivel, independientemente de la banda de control de velocidad. El sistema de control de nivel constante se usa en ocasiones, cuando un sistema determinado requiere una banda de control estrecha. En un sistema de nivel constante, se selecciona un nivel del cárcamo de bombeo y cuando el líquido se eleva o desciende respecto al mismo, se produce una señal de control de la velocidad que aumenta o disminuye la de la bomba. Cuanto más se desvía el nivel del líquido del prefijado, más fuerte es la señal para variar la velocidad. Si la bomba funciona a plena velocidad y el nivel del agua continúa ascendiendo, se pone en marcha una segunda bomba. Cuando el nivel comienza a descender, la bomba se para al alcanzar su velocidad mínima de funcionamiento. 4.6 EQUIPO ELÉCTRICO Los cárcamos de bombeo pequeños funcionan con una tensión de 460 V, tres fases, y 60 Hz. En los cárcamos de gran tamaño las bombas funcionan con voltajes de 2300 o 4160 V, con equipos auxiliares a 460 V. En la actualidad se exigen que todos los cárcamos de bombeo tengan grupos electrógenos de reserva. Los cárcamos cuyo funcionamiento es esencial, pueden tener dos alimentaciones independientes de distintos transformadores de la compañía eléctrica. Si una de ellas falla, la otra entra en servicio automáticamente. Si no es posible conseguir dos alimentaciones independientes, debe suministrarse energía mediante uno o más grupos electrógenos dimensionados para arrancar y hacer funcionar suficientes bombas para evitar la inundación de las calles, sótanos y los rebosamientos. En ciertos casos, se han instalado unidades de accionamiento dual, de manera que las bombas pueden ser accionadas por los motores o por los grupos electrógenos. En cárcamos sin personal permanente, la conmutación de las fuentes de energía debe ser totalmente automática. Los transformadores pueden instalarse en recintos exteriores convenientemente cercados o pueden ser aéreos. Los arrancadores de los motores y los controles deben situarse en un conjunto de control situado a nivel del terreno en una zona limpia y seca. Esta forma de construcción es más limpia, segura y satisfactoria que los armarios de pared con arrancadores individuales e interruptores de circuitos que se utilizaban antiguamente. Los cárcamos de gran tamaño deben disponer de una cámara independiente para la instrumentación eléctrica, en donde se alojen los arrancadores de los motores,

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interruptores, medidores, instrumentos y el panel de control, dotada de ventilación y calefacción adecuadas. Todos los equipos eléctricos y de iluminación del cárcamo de bombeo deben ser antiexplosivos para evitar el peligro potencial de explosión de los vapores y gases arrastrados por el agua residual. Debe instalarse una iluminación adecuada y un número conveniente de tomas de corriente, asimismo antiexplosivas. 4.6.1 Tablero eléctrico Al elegir el emplazamiento del tablero eléctrico se debe tener en cuenta lo siguiente:

Los relés requieren calentamiento adicional cuando la temperatura exterior es inferior a 5 ºC.

La superficie de la instalación debe ser vertical y exenta de vibraciones. Debe preservarse de ambientes húmedos y de zonas inundables.

4.6.1.1. Sentido de la rotación de la bomba Antes de poner en funcionamiento la bomba, hay que asegurarse que el sentido de rotación es correcto. Esto se debe comprobar, durante la instalación eléctrica, mediante el uso de un indicador de dirección de fase. Después de comprobar el indicador, se conecta la bomba un instante y se observa la iniciación del movimiento en la bomba. Mirando desde la parte superior del motor, debe ser contraria al sentido de giro de las agujas del reloj, o la iniciación de la dirección debe ser la indicada en la etiqueta. No es conveniente hacer funcionar la bomba en seco, debido a que puede causar problemas o dañar los elementos de bombeo y la cubierta, el sistema eléctrico de la misma bomba puede quemarse. Por lo que basta observar el sentido de giro, para ver si el movimiento es el correcto, y en consecuencia proceder a su corrección, o al empleo de la bomba. Una bomba está sometida a variaciones de potencia y, por tanto, debe tener un amplio margen de sobrecargas. Esto se consigue regulando el relé a la intensidad absorbida por el motor, cuando la bomba funciona en el punto de mayor consumo. Esta intensidad para la regulación del citado relé, debe también medirse después de unos cuantos minutos de funcionamiento del motor. 4.7 CALEFACCIÓN Y VENTILACIÓN La introducción de instalaciones de ventilación y calefacción es normal en los grandes cárcamos de bombeo.

49

4.7.1 Instalación de calefacción En los cárcamos de bombeo situados principalmente en la zona Norte de nuestro país, donde se llegue a presentar una congelación del agua durante el invierno, debe haber calefacción con control automático. En la cámara seca con personal permanente es conveniente tener una temperatura agradable mientras que en aquellas que no tienen personal permanente la temperatura puede ser algo inferior. El tipo de instalación de calefacción a utilizar depende del tamaño del cárcamo y de las necesidades caloríficas. En grandes cárcamos se suelen emplear radiadores alimentados con agua caliente mediante calderas que utilicen gas o gasóleo como combustible o bien instalaciones de aire acondicionado. En los cárcamos pequeños la cámara seca puede calentarse por medio de convectores de aire caliente alimentado con gas o gasóleo que incluyen un doble circuito para calentar independientemente el cárcamo de bombeo. A veces, en estas instalaciones pequeñas, se usan radiadores eléctricos. 4.7.2 Instalación de ventilación La instalación de ventilación de la cámara húmeda y la seca deben ser totalmente independientes y todos los orificios de paso de tuberías o cables eléctricos han de estar perfectamente impermeabilizados. Es esencial disponer de una buena ventilación de aire exterior. Los cárcamos de bombeo deben incluir sistemas de ventilación mecánica bien distribuidos por todo el recinto; la salida del aire forzado se realiza por la parte superior del mismo. El sistema debe ser capaz de mantener una presión positiva en el cárcamo de bombeo con el fin de reducir al mínimo la entrada a la misma de aire procedente de las alcantarillas. La salida del aire del cárcamo de bombeo debe situarse próxima a la entrada de la alcantarilla. En cárcamos pequeños sin personal permanente, es normal disponer de un sistema de ventilación intermitente. En cárcamos grandes o en los que existan rejillas de limpieza automática u otros equipos de costo elevado, es conveniente que la ventilación sea continua para evitar atmósferas húmedas corrosivas que suelen producirse en las cámaras húmedas dotadas de ventilación intermitente. Se recomienda, y gran número de organismos así lo exigen en la actualidad, que el caudal de aire de ventilación a suministrar al cárcamo de bombeo basado en el volumen existente por debajo del terreno y por encima del nivel mínimo de líquido en la cámara, sea tal que produzca 1) un mínimo de 30 cambios por hora si el ventilador no funciona en continuo y 2) un mínimo de 12 cambios por hora si el funcionamiento es continuo. La cifra de 30 cambios por hora para funcionamiento intermitente es necesaria por razones de seguridad. Este caudal de aire produce un rápido arrastre o la dilución de los gases y aire contaminados acumulados en el cárcamo. Cuando el cárcamo tenga un sistema de ventilación intermitente es conveniente equipar al ventilador con un motor de dos velocidades, de manera que sea posible

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funcionar en continuo a baja velocidad, utilizando la alta únicamente cuando se visite el cárcamo. En zonas urbanizadas, esta modalidad de funcionamiento puede producir una dilución suficiente de los malos olores, de forma que cuando se ponga en marcha el ventilador a velocidad alta no se produzca una descarga masiva de aquellos. El interruptor de maniobra del ventilador debe colocarse junto a la puerta de acceso. Como precaución adicional, el ventilador puede estar interconectado con el interruptor de la luz. Es posible que se requiera una capacidad adicional de ventilación para eliminar el calor generado por los motores de las bombas y los equipos eléctricos, especialmente cuando los motores son de velocidad variable. En ciertos casos, dependiendo del tipo de transmisión utilizado, puede pensarse en aprovechar ese calor para la calefacción. En cualquier caso, el sistema de ventilación ha de tener un control automático para procurar una refrigeración adecuada cuando la temperatura ambiente se eleve por encima de niveles inaceptables (20 A 30 ºC). 4.8 SUMINISTRO DE AGUA MUNICIPAL (POTABLE) Es recomendable que todos los cárcamos de bombeo cuenten con suministro de agua potable. Esta es utilizada para el aseo y como agua de soporte a aquellas bombas que incluyen juntas hidráulicas. Como mínimo, se recomienda instalar un baño con un pequeño calentador de agua para el aseo de los operadores. Asimismo, deben instalarse tomas de agua para mangueras, tanto en la cámara húmeda como en la seca, para la limpieza de los suelos, así como aspersores para el riego del césped y árboles. Cuando las normas de edificación lo permitan y la presión del agua sea suficiente, es posible utilizar un único suministro de agua a partir de la red de distribución urbana, el cual, mediante un sistema de control de retorno del agua, permita su empleo en todos los usos comentados. El sistema de control consiste en dos válvulas reductoras de presión colocadas en serie, entre las que se intercala una válvula de seguridad de sobrepresión. Cuando la presión intermedia se aproxima a la del agua potable, se abre la válvula de seguridad evitando la entrada de agua contaminada a la red de abastecimiento. Si no es posible utilizar un dispositivo antiretorno como el indicado, el agua para las juntas hidráulicas puede suministrarse por medio de un tanque de almacenamiento y dos bombas. El agua potable entra en el tanque a través de un dispositivo de rotura de carga para evitar la posibilidad de contaminación y el nivel en el tanque se controla mediante una válvula de flotador. La succión de las bombas de aporte de agua se hace directamente desde el tanque. Las bombas suelen ser centrífugas o tipo turbina, dependiendo del caudal y presión requeridos. Se recomienda instalar dos bombas, una en reserva, por razones de seguridad de funcionamiento. En los cárcamos con personal permanente es necesario disponer de cuarto de baño, lo cual es también deseable en las que no tienen personal fijo. El cuarto de baño

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debe situarse a nivel del terreno, de manera que pueda descargar directamente al cárcamo de bombeo. 4.9 DRENAJE DE LOS CÁRCAMOS DE BOMBEO El drenaje del suelo se lleva a cabo desde el sumidero de la cámara seca por bombeo, mediante bombas de funcionamiento automático, a el cárcamo de bombeo. Es conveniente instalar dos bombas por razones de seguridad de funcionamiento. El control de las mismas incluye una alarma de nivel máximo situado entre los puntos de arranque de la bomba principal y la de reserva que alerte el fallo de la primera. Se recomienda especialmente que las bombas del registro sean del tipo inatascable y no bombas normales de drenaje, ya que es muy frecuente la extracción de bolas de trapos acumulados en las bombas y su envío al drenaje. La descarga de las bombas debe incorporar dos válvulas de retención (check) colocadas en serie y debe verter a el cárcamo de bombeo por encima del máximo nivel previsto en el mismo. Ello se hace así para minimizar la posibilidad de inundación de la cámara seca por inversión del flujo desde la succión. 4.10 RECOMENDACIONES GENERALES En relación con la construcción de los cárcamos de bombeo se sugieren las siguientes recomendaciones: El edificio de bombas deberá instalarse fuera de la zona de avenidas extraordinarias o debidamente protegido, para evitar la entrada del agua en el mismo. • Se dispondrá, en la entrada a la cámara de toma, una rejilla que retenga las

impurezas gruesas en función de la tubería de succión y capacidad de la bomba, así mismo se deberá instalar un desarenador para retener los sólidos pesados como el caso de arenas que se arrastran en las aguas pluviales.

• Los conductos de succión, construidos generalmente en fundición o en acero, estarán provistos de la correspondiente válvula de pie y accesorios necesarios para acomodar su sección al orificio de la bomba.

• El edificio destinado a proteger las bombas, deberá ser de fácil acceso, bien iluminado, bien aireado y con espacio suficiente de modo que se pueda circular libremente alrededor de los equipos. Se construirá, siempre que la variación de el nivel freático lo permita.

• Se tendrán en cuenta, tanto en el estudio como en la obra, los cimientos y al terreno, para evitar las posibles consecuencias debidas a las vibraciones de las máquinas.

• Si el caudal es pequeño y los equipos de poco volumen, éstos podrán ubicarse en pozos de registro sobre el colector.

• Las centrales enterradas serán impermeables y sus paredes interiores y pisos lisos y lavables. Las canaletas que en el suelo sirvan de paso a las líneas eléctricas o tuberías, se cubrirán con rejillas de celdas de aluminio.

52

• Las puertas serán de amplitud suficiente para dar paso a las piezas o equipo de mayor tamaño. En caso contrario se preverán salidas especiales.

• Se instalarán grúas-viajeras para el manejo de las piezas, en las instalaciones cuya importancia así lo requieran.

• En los cárcamos de bombeo secos, con excepción de los más pequeños, se debe instalar escaleras de acceso, construidas de acero galvanizado o aluminio de rigidez suficiente. Las escaleras de mano solamente se instalan cuando lo permita las especificaciones vigentes y no sea posible construir una escalera convencional. No deben utilizarse escaleras verticales ni circulares.

Para evitar la corrosión es necesario emplear metales con bajo potencial, como el cromo. La oxidación de equipos de acero al carbono no se produce en el aire cuando su humedad relativa es inferior al 60% y 50% en atmósfera salina. Con agua y presencia de oxígeno la oxidación es continua. Para aguas normales el acero inoxidable es suficientemente resistente, pero no con aguas de mar, que por el contenido de cloruros ataca a los aceros inoxidables normales al cromo.

53

5 EQUIPO DE BOMBEO 5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS Las bombas se clasifican en dos grupos básicos: las de energía cinética y las de desplazamiento positivo. En el diagrama de la Figura 5.1 se indican las correspondientes a cada grupo. Las de uso más extendido en el campo de ingeniería sanitaria son las centrífugas que están clasificadas como bombas de energía cinética. A menudo las bombas centrífugas se clasifican de acuerdo con un valor conocido como velocidad específica, el cual varía según la forma del impulsor. 5.1.1 Bombas centrífugas Las bombas centrífugas se clasifican en: (1) de flujo radial, (2) de flujo mixto y (3) de flujo axial. Por lo regular, las dos primeras se emplean para el agua residual y pluvial, en tanto que las de flujo axial, sirven para el bombeo de aguas pluviales con o sin agua residual o efluentes de plantas de tratamiento. A continuación se da un mayor detalle de cada una. 5.1.1.1. Bombas de flujo radial En estas bombas se emplea la fuerza centrífuga para impartir energía al fluido, por ello en ocasiones se les denomina centrífugas, porque forman un remolino con flujo que sale en forma radial. Para el agua residual se deben emplear diámetros de paso superiores a 10.2 cm (4 pulgadas). Las bombas de flujo radial tienen velocidades específicas variables entre 10 y 80. Los principales componentes de una bomba de flujo radial se muestran en la Figura 5.2. 5.1.1.2. Bombas de flujo mixto Ocupan un lugar intermedio entre las bombas de flujo radial y de flujo axial donde se forma un vortex en un flujo axial. La velocidad específica (un número característico de cada bomba) varía entre 80 y 200.

54

Figura 5.1 Diagrama de la clasificación de las bombas

Bombas

Cinéticas

De chorro(eyector dealta presión)Ariete hidráulicoElectromagnéticas

MonocelularesMulticelulares

Flujo axial

Flujo radialFlujo mixto

Aspiración simpleAspiración doble

Rodete abiertoRodete semiabiertoRodete cerrado

MonocelularesMulticelulares

AutocebanteNo autocebante

Rodete abiertoRodete cerradoAspiración simple Monocelulares

Multicelulares

Desplaza-mientopositivo

Centrífugas

Periféricas

Especiales

Alternativas

De inyector

De pistónDe simple efectoDe doble efecto

AutocebanteNo autocebante

SimplexDuplexTriplexMultiplex

De doble efecto SimplexMultiplex

SimplexMultiplex

Vapor

Energía eléctrica

Accionam.por fluidoAccionam.Mecánico

De diafragma

Rotativas

De paletasDe pistónDe órgano elásticoDe tornillo

De engranajesDe pistonescircunferencialesDe tornillo

De un solo rotor

De rotor múltiple

Fig 5.1

55

Figura 5.2 Impulsores típicos utilizados en bombas centrífugas, a) cerrado de succión simple; b) cerrado de succión doble, tipo Francis; c) abierto de flujo

mixto; d) de flujo axial (hélice) Los impulsores de flujo mixto pueden ser instalados en fundas de voluta, en cuyo caso se denominan bombas de flujo mixto tipo voluta, o dentro de difusores similares a las bombas de propela, y se llaman entonces bombas de flujo mixto con propela. Las bombas de voluta de flujo mixto son adecuadas para bombear agua residual y pluvial, particularmente cuando tienen una velocidad específica entre 80 y 120. Están disponibles en tamaños de 20.3 cm (8 plg) de diámetro y mayores y pueden operar con cargas de hasta 18 m. 5.1.1.3. Bombas de flujo axial Las bombas de flujo axial se emplean para agua pluvial, particularmente cuando se requiere bombear grandes volúmenes contra una pequeña carga donde este tipo de bombas resulta menos caro que las de flujo mixto o radial. Sin embargo, este tipo de bombas es usado para aguas residuales que sean sometidas a un desbaste previo pues se puede atascar la guía de las aspas y, a la larga, taponar el paso. Estas bombas tienen velocidades específicas superiores a 200.

(a) (b)

(d)(c)

56

5.1.2 Bombas de desplazamiento positivo La bomba de tornillo, clasificada como de desplazamiento positivo, tiene dos ventajas principales en relación con las bombas centrífugas para las aguas residuales: 1) maneja sólidos de mayor tamaño sin atascarse y 2) funciona a velocidad constante para una amplia gama de caudales con rendimientos relativamente buenos. Se encuentran diámetros exteriores de 0.3 a 3 m y capacidades desde 0.01 a 3.2 m3/s, aunque algunos fabricantes suministran tamaños superiores. La capacidad de la bomba depende de la altura del líquido en el extremo inferior del tornillo, cuanto más bajo sea el nivel, menor es la capacidad. El ángulo de inclinación está estandarizado entre 30 a 38º. La altura total del bombeo se limita a unos 9 m. Una desventaja de las bombas de tornillo es que ocupan un amplio espacio. Normalmente, las bombas son accionadas por motores de velocidad constante con reductores a la salida de 30 a 50 rpm. El rendimiento normal es del 85% a la capacidad máxima y del 65% al 25% de capacidad.

Figura 5.3 Bomba de tornillo típica

5.1.3 Bombas especiales Las bombas especiales para tener aplicaciones diversas incluyen a los eyectores neumáticos, las bombas con flujo de torque, las bombas sin hélices, y las bombas de chorro o de emulsión de aire.

Nivel del agua efluente

Nivel del aguaafluente

Nivel de tomade tornillo

Nivel de descargadel tornillo

Hgeom

α

Chapa hilicoidal

57

5.1.3.1. Eyectores neumáticos Cuando la cantidad de agua residual es pequeña, así como su incremento futuro, se emplean los eyectores neumáticos debido a que no se atascan. En la Figura 5.4 se muestra uno de ellos junto con el equipo asociado. Los eyectores neumáticos se encuentran disponibles en capacidades que van de 1 a 38 L/s en operación simple, sin embargo, es preferible usarlos desde el punto de vista económico hasta para gastos de 20 L/s. Generalmente operan en ciclos de 1 min, con periodos de llenado y descarga de 30 segundos.

Figura 5.4 Eyector neumático y conjunto asociado Fig 5.4

Filtrode aire

Válvula deseguridad

Válvula deretención

Compresorde aire Purga de

goteo

Tanque dealmacenamientode aire

Panel decontrol

Presostatos

Válvula desolenoide

Abertura a laatmósfera

Filtro

Conductopara aire

Controlde nivelT de entrada

Descarga

Válvula deretención

Válvula decompuerta

Válvula deretención

Depósito defundición receptor de

aguas residuales

Válvula de diafragma (3 vías)

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5.1.3.2. Bombas con flujo de torque Estas bombas están diseñadas para manejar material sólido, por lo cual se emplean para manejar lodos y aguas negras crudas pues prácticamente nunca se taponan. Como contrapartida su costo es elevado y la eficiencia baja. 5.1.3.3. Bombas sin alabes Son bombas centrífugas de voluta que cuentan con un impulsor sin aspas o de paso simple. Las curvas características de una bomba de este tipo son comparables a las de una bomba convencional no atascable como la de la Figura 5.5, su capacidad aproximadamente es la mitad de la de una bomba no convencional inatascable, por lo que son particularmente útiles para flujos pequeños. Se encuentran en tamaños superiores a 12.7 cm (5 plg).

Figura 5.5 Carcasas de bombas centrífugas 5.1.3.4. Bombas con emulsión de aire y de chorro Este tipo de bombas no tiene partes móviles, y por lo tanto, es prácticamente inatascable. La bomba de emulsión está limitada por la presión del aire comprimido, alcanzándose alturas del orden de 1 a 1.5 m. Ocasionalmente se usan en plantas de tratamiento de agua residual en ciertas actividades tales como el cebado de bombas centrífugas o de sumidero.

Boquilla de descarga

Rodete

Valuta

Difusor

a) Voluta b) Dufusor

Fig 5.5

59

5.2 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN Las condiciones de operación dependen del tamaño, la velocidad y tipo de diseño de las bombas. Su operación se describe mediante curvas que muestran la carga total de bombeo H, la eficiencia en por ciento y la potencia requerida en HP contra el caudal. La forma de las curvas varía en función de la velocidad específica. Algunas curvas características para bombas clásicas de flujo radial, de voluta con flujo mixto, de propulsión con flujo mixto, y centrífugas con flujo axial se muestran en la Figura 5.6. En éstas, las variables han sido graficadas como por ciento del valor al punto máximo de eficiencia. Adicionalmente, las características operativas de varios tipos de bombas han sido resumidas en la Tabla 5.1.

Figura 5.6 Curvas características típicas de bombas centrífugas

500 100 130 0 50 100 130 0 50 100 1300

50

100

150

0

50

100 300

250

200

150

100

50

0

150

300

250

200

150

100

50

0

150

Bomba de hélicede flujo axialN =250S

Potencia absorbidaRe

ndim

iento

Altura

Rend

imien

to

Rend

imie

nto

Rendim

iento

AlturaAltura

Altura

Potencia

absorbida

Potencia absorbida

Potencia absorbida

Bomba de hélicede flujo mixtoN =125S

Bomba deflujo radialN =35S

Bomba de tipo voluta de flujo mixtoN =85S

Porcentaje del caudal bombeado en un punto de máximo rendimiento

Altu

ra d

e el

evac

ión,

pot

enci

a ab

sorb

ida

yre

ndim

ient

o en

tant

o po

r cie

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sobr

e lo

s va

lore

sco

rres

pond

ient

es a

l pun

to d

e m

áxim

o re

ndim

ient

o

Fig 5.6

500 100 130

60

Tabla 5.1 Características de funcionamiento de diversos tipos de bombas de aguas residuales

Tipo de bomba Centrifuga Desplazamiento positivo Característica Flujo

radial Flujo mixto Flujo axial Rotatorio Pistón

Caudal Uniforme Uniforme Uniforme Relativamente uniforme Pulsante

Efecto de aumentar la carga: En la capacidad Disminuye Despreciable

En el consumo energético Disminuye

Ligero decremento

a un importante aumento

Incremento notable Incrementa

Efecto de disminuir la carga: En la capacidad Incrementa Despreciable

En la energía consumida Aumenta

Ligero aumento a

un decremento

Disminuye Disminuye

Efecto de cerrar la válvula:

En la presión Hasta

30% de aumento

Aumento considerable

Aumento muy

importanteNo aplica

En la demanda de energía

Disminuye en un 50 a

60%

10 % de decremento, hasta 80%

de incremento

Incremento en un 80 a

150% No aplica

Fuente: Metcalf and Eddy, 1985. • las pérdidas por fricción se incrementan conforme aumenta la presión

diferencial • * Válvulas aisladores y check se colocan en tubos separados de las bombas.

No se requieren para mantener la acción de bombeo.

Para bombas de flujo radial, se puede demostrar teóricamente que la descarga Q, la carga H y la potencia P para un punto en particular de operación de la curva se relaciona con una velocidad N en rpm de la forma siguiente:

Q varía con N H varía con N2 P varía con N3

61

Las relaciones anteriores se conocen como leyes de afinidad y se emplean para conocer el efecto del cambio en la velocidad sobre la descarga, la carga y la energía. Leyes similares aplican al cambio del diámetro del impulsor pero son menos confiables. En la práctica, el cambio en el nuevo punto de operación, que ocurre como resultado del cambio en la velocidad, estará dado por la intersección del sistema en la curva y una nueva curva de carga contra gasto. La siguiente ecuación sirve para definir la velocidad específica:

4/3HQN

Ns = (5.1)

donde: Ns: Velocidad específica N: Velocidad, rpm Q: Gasto, m3/s H: Carga, m

Para una bomba determinada a velocidad dada, Q y H específica, se consideran en el punto de máxima eficiencia. Cuando la ecuación 5.1 se aplica para bombas con impulsores de doble succión, se emplea la mitad de la descarga, a menos que se indique lo contrario. Para bombas de varias etapas, la carga corresponde a la de cada etapa. En realidad, el valor calculado para la velocidad específica no tiene significado físico, pero es muy útil pues es igual en bombas semejantes y no cambia con la velocidad para una misma bomba. Debido a que la velocidad específica para una misma bomba es independiente tanto del tamaño como de la velocidad, depende sólo de la forma por lo que en ocasiones es considerado como un factor de forma. La Figura 5.7 muestra la variación de la eficiencia máxima esperada conforme varía el tamaño (capacidad) y el diseño (velocidad específica). En la parte baja de la Figura se muestra cómo varía la forma del impulsor a medida que varía la velocidad específica.

62

Figura 5.7 Rendimiento de la bomba respecto a la velocidad específica y al tamaño de la bomba

Las características de diseño de las bombas, los parámetros de cavitación y la operación anormal en las condiciones de transición pueden ser correlacionadas con la velocidad específica. Si se analiza la ecuación de la velocidad específica se encuentra lo siguiente: A: Se debe disminuir la velocidad de operación si se seleccionan equipos

mayores para cargas semejantes. B: Si se seleccionan unidades con velocidad específica más elevadas, para la

misma carga y capacidad, éstas operarán a una mayor velocidad y en consecuencia todo el equipo, incluyendo la motobomba será más barata.

40

50

60

70

80

90

100

10 20 40 60 80 100 150 200 300

Ren

dim

ient

o, e

n %

Velocidad específica, en N = s N 0

H3/4

Por encima de 0.63 m3/s

0.63 m3/s

0.190 m3/s0.0063 m3/s0.031 m3/s0.012 m3/s

0.006 m3/s

Radial Radial Francistipo de rodete

Flujo mixto Hélice

Fig 5.7

63

5.3 CONSTRUCCIÓN DE LAS BOMBAS Las bombas para aguas residuales se fabrican en aleaciones de fierro colado con bronce o de acero inoxidable con impulsores de fierro colado o de bronce. Cuando el agua residual contiene arena, los impulsores más duraderos son los de fierro colado. Las bombas de tamaño mayor de 25.4 cm (10 plg.) capacidad son suministradas normalmente con anillos de bronce y solo es pedido de acero inoxidable en el lado de la succión. Las bombas menores vienen con o sin anillos. Los soportes verticales para los bombas de cámara húmeda son del tipo de antifricción y lubricados a partir de collares y se colocan en el eje principal arriba del impulsor. 5.3.1 Corrosión y duración de vida de las bombas Los metales más adecuados para fabricar bombas se resumen en la siguiente Tabla 5.2.

Tabla 5.2 Corrosión en bombas Tipo de corrosión Material Características

POR PICADO (Debido a cloruros y

halógenos)

Cloruros

Bronce sin zinc Bronce con aluminio

Titanio fundiciones inoxidable C.30(29% Cr), C.30E (29% Cr y 2%

Mb) Acero 453 S

Aceros inoxidables al cromo y molibdeno

Aceros inoxidables al carbono y silicio

Cloruro de polivinilo

Resisten mal

Resiste los cloruros y compuestos clorados con pH

> 1

Temperatura máxima 60ºC Bajo tensión Acero al cromo níquel

Austeníticos 18/8 y 18/12/12.5 Aceros austeno-ferríticos

Protección por deposición química de níquel, siempre que el contenido

sea superior al 50%

Polietileno

Aparecen fisuras

Temperatura máxima 100 ºC BACTERIANA

(Acción en presencia de aire, agua y hierro) Ácidos orgánicos o

minerales Medios sulfúricos Ácidos en general

MONEL URANUS 86 Polietileno

Teflón

Limpieza frecuente con productos bactericidas

(Ácido fosfórico) Temperatura máxima 100 ºC

Fuente: Hernández A. 1996.

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La universidad de Queensland, Australia, ha propuesto tres índices de corrosión que permiten determinar la duración de la vida de una bomba, denominando:

• Buena, cuando la vida útil de los componentes supere los 12 años. • Dudosa, posible corrosión. Se recomienda inspecciones frecuentes. • Peligrosa. La vida de los componentes será inferior a 12 años.

Tabla 5.3 Duración y corrosión

Indicador de corrosión Buena Dudosa Peligrosa pH 7.5 a 8.5 6.5 a 7.5 4.0 a 6.5

Índice de saturación de Langelier 0 a +2 -2 a 0 -7 a –2

Bomba con cuerpo de fundición y impulsor de

bronce Log (Cl-/CO3=) 0 a 2 2 a 3.5 3.5 a 9

pH 7.5 a 8.5 5 a 7.5 4 a 5 Índice de saturación de

Langelier 0 a +2 -5 a 0 -7 a –5 Bomba con

cuerpo y rotor de bronce Log (Cl-/CO3

=) 0 a 2.5 2.5 a 6 6 a 9 Fuente: Hernández A. 1996. 5.4 ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS Los sistemas más comunes para accionar las bombas son los motores eléctricos de corriente directa. En ocasiones se instalan bombas accionadas por motores de combustión interna para asegurar el funcionamiento en caso de que los motores eléctricos fallen, esto es posible cuando pueda emplearse gas de digestión como combustible. 5.4.1 Motores eléctricos Las bombas de velocidad constante pueden ser operadas por motores de inducción de jaula de ardilla de rotor devanado o por motores síncronos. Los primeros se prefieren por su simplicidad, confiabilidad y economía, aunque se debe tener presente que los motores síncronos pueden resultar más económicos para grandes potencias y baja velocidad. Para accionamiento a velocidad constante, los motores de rotor devanado no se usan pero aplican a casos especiales en donde hay baja irrupción de la corriente de arranque, o se usa en un sistema alimentado por un grupo electrógeno (produce electricidad). La velocidad de un motor eléctrico viene dada por la ecuación

polosdenúmerofrecuenciaxrpmsíncronaVelocidad 120, = (5.2)

Los motores síncronos funcionan a la velocidad dada por esta ecuación pero la velocidad de los de inducción de jaula de ardilla y los de rotor devanado es 2 a 3% menor debido a la fricción.

65

5.4.1.1. Accionamiento a velocidad constante y variable La elección entre dos bombas que funcionen a velocidades diferentes debe recaer en la de menor velocidad para el agua residual a fin de reducir el desgaste de la bomba por arenas. Las velocidades típicas de las bombas accionadas por motores de velocidad constante funcionando con corriente alterna de 60 hz se indican en la Tabla 5.4. Dependiendo del diseño del motor o de las necesidades de la carga de torsión, puede producirse alguna variación de la velocidad máxima en los motores de inducción. En bombas para aguas residuales no se utilizan velocidades superiores a 1,770 rpm, las cuales sólo se emplean en sistemas con alturas muy grandes que requieren altas velocidades. El funcionamiento a diversas velocidades se consigue utilizando motores de jaula de ardilla o de rotor devanado. En los primeros, la elección se limita a las velocidades indicadas en la Tabla 5.4. Si la velocidad menor de un motor de dos velocidades es la mitad de la mayor, puede utilizarse un motor de bobinado simple, pero cuando no es así, se precisa un motor de bobinado doble. Cuando una bomba funciona a dos velocidades constantes, conviene un motor de jaula de ardilla (o motor síncrono) ya que puede trabajar a su máximo rendimiento en ambos casos, mientras que la de rotor devanado solamente funciona a su máximo rendimiento a la velocidad mayor y cuando trabaja a velocidades inferiores el rendimiento se reduce considerablemente.

66

Tabla 5.4 Velocidades de funcionamiento de los motores de velocidad

constante con corriente alterna de 60 Hz Velocidad del motor, rpm Polos Síncronos Inducción

2 4 6 8

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

a 1,800 1,200 900 720 600 514 450 400 350 327 300 277 257

3550 1770 1170 870 705 585 500 435 390 350 318 290 268 249

a = No aplicable Fuente: Metcalf and Eddy, 1985. 5.4.1.2. Accionamiento a velocidad variable Cuando las condiciones de funcionamiento de un cárcamo son muy variables conviene emplear bombas de velocidad variable. Ello se logra mediante el uso de resistores líquidos para los controles de los motores de rotor devanado, de accionamiento magnético (corrientes parásitas) o acoplamientos fluidos. Recientemente, se utilizan también acoplamientos por cizalladura viscosa. Todos estos sistemas detienen en común las pérdidas por fricción que se convierten en calor, y disminuye el rendimiento. Las pérdidas por fricción se calculan mediante:

1001

%, ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−=

sskWgacarfricciónporPérdida (5.3)

donde

máximavelocidadvelocidaddeacmáximavelocidads arg−

= (5.4)

La eficiencia del accionamiento, a su vez se obtiene con

100%,absorbidapotencia

útilpotenciantoaccionamiedelmientorendi = (5.5)

67

por lo que el rendimiento global es

11%, sxmotordelmientorendintoaccionamiedelglobalmientorendi −

= (5.6)

Las pérdidas por fricción alcanzan su valor máximo (33% de la energía necesaria o para cargas de par variable, alrededor del 15% de la energía máxima necesaria) cuando la bomba funciona a dos tercios de su velocidad. El desarrollo reciente de controles electrónicos de estado sólido ha conducido a la introducción de nuevos métodos de control de la velocidad variable, tanto para motores de jaula de ardilla como para las de rotor devanado. Estos accionamientos limitan de forma efectiva la corriente de irrupción y permiten un arranque suave del motor. Existen cuatro tipos:

a) Voltaje variable. La reducción del voltaje primario de alimentación de un motor de inducción de jaula de ardilla de diseño especial y alta fricción por medio de reactores saturables o rectificadores controlados de silicio, proporciona el control de la velocidad variable. Sin embargo, este tipo de control no tiene buen rendimiento y las pérdidas son eliminadas en forma de calor generado en el motor, lo cual hace que este funcione con una temperatura elevada. En consecuencia, su uso no es recomendable para servicios municipales.

b) Motor de rotor devanado; control de estado sólido. La inclusión de reactores de núcleo saturable, así como de resistores en el circuito secundario de un motor de rotor devanado y el control mediante rectificadores controlados de silicio permite conseguir un control continuo de la velocidad sin tener que recurrir al uso de los tanques, tuberías e intercambiadores de calor que requieren los resistores líquidos. Las pérdidas por fricción descritas en (A) se siguen produciendo. Este tipo de accionamiento ha sido instalado en muchas bombas de agua residual.

c) Accionamiento de frecuencia variable. Un accionamiento de velocidad variable tiene un elevado rendimiento cuando se varía la frecuencia de la corriente de alimentación en un motor de jaula de ardilla. La corriente alterna es rectificada a continua y reconvertida en alterna a la frecuencia requerida para producir la velocidad deseada. Es posible conseguir un intervalo de velocidades de 1 a 3 y se han constatado rendimientos del 95% del normal del motor. Estos accionamientos se encuentran normalmente, en capacidades de hasta 185 kW y pueden ser incluso mayores en unidades especialmente diseñadas.

d) Motor de rotor devanado, control por regeneración del secundario. En estos la energía del circuito secundario es rectificada a corriente continua por medio de componentes de estado sólido, de nuevo estos transforman en corriente alterna del mismo voltaje y frecuencia que la del suministro de energía, la cual alimenta el primario del motor. Este tipo de accionamiento se aplica para motores mayores de 20 kW.

68

El accionamiento por variación de la frecuencia y el motor de rotor devanado con control por regeneración del secundario son más eficientes que el resto de accionamientos de velocidad variable porque las pérdidas por fricción son eliminadas o recuperadas en forma de trabajo útil, sin embargo su costo es superior a la de los otros tipos pero a medida que aumente el precio de la energía serán más rentables. En general, los accionamientos de velocidad variable son más caros que los motores de velocidad constante, además de que tienen un peor rendimiento y requieren mayor mantenimiento. 5.4.2 Motores de combustión interna En cárcamos de bombeo de gran capacidad se emplean motores de combustión interna como fuente de energía de reserva para accionar las bombas apoyados con controles eléctricos críticos en el caso de fallo del suministro de energía. En algunos casos, se utilizan estos motores para accionar bombas ubicadas en lugares muy apartados en donde no se dispone de suministro eléctrico o es poco confiable y en plantas de tratamiento en donde se dispone de gas de digestión como combustible. Usualmente, los motores de combustión interna suministran energía no sólo a las bombas, sino también a los equipos auxiliares y sistema de control. Para esta utilización se emplean motores diesel o de encendido por bujías, alimentados con gas natural o propano. El uso de gasolina no está extendido por los problemas derivados del almacenamiento del combustible. 5.4.2.1. Motores duales Los motores diesel duales consumen una mezcla de gasóleo y gas. La relación entre ambos es variable pero se requiere un mínimo de 10% de gasóleo para producir la ignición. Pueden alimentarse directamente con gas de digestión. Estos motores suelen suministrarse con doble carburador y doble alimentación de combustible, por ejemplo gas natural o propano, para mantenerlos en funcionamiento cuando no exista gas de digestión disponible. 5.4.2.2. Accionamiento directo y con mecanismo de transmisión Aunque las bombas horizontales pueden estar acopladas directamente a los motores, en general, son accionadas a través de un mecanismo de transmisión que permite que tanto la bomba como el motor funcionen a su velocidad óptima. El sistema más común consiste en un motor horizontal que acciona una bomba vertical mediante un mecanismo de transmisión en ángulo recto. Para los motores de combustión interna, se instala una caja de engranajes combinados con un motor eléctrico montado en la parte superior del mecanismo de transmisión en ángulo recto que se acopla directamente al eje de la bomba. Cuando el motor acciona la bomba se emplea un embrague o acoplamiento de desconexión para desenganchar el mecanismo de transmisión en ángulo recto. Cuando el motor

69

de combustión es el que acciona la bomba se embraga manualmente y el motor eléctrico acoplado al eje de la bomba gira libremente. Si se quiere que el accionamiento funcione automáticamente se necesita un embrague en el eje entre el motor de combustión interna y el accionamiento en ángulo recto, de manera que el eje de aquél no gire cuando la bomba sea accionada por el motor eléctrico. 5.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA La potencia absorbida por la máquina se calculará mediante la fórmula:

η75HQWcPa

××= (5.7)

donde

W: Peso específico del líquido (Kg/dm3) Q: Caudal a elevar en L/s H: Altura manométrica en metros η: Rendimiento en porcentaje Pa: Potencia absorbida, (C.V.) c: 1.25 coeficiente si se trata de aguas negras c: 1.00 coeficiente en otros casos de impulsión de agua 5.6 SELECCIÓN DE BOMBAS Debe recordarse que las bombas que se usan serán las disponibles a nivel comercial, y en ese sentido se seleccionan aquellas que mejor se acomode a las circunstancias particulares de la obra. La elección y justificación del tipo de bomba se hace escogiendo en las condiciones normales de marcha y el mejor rendimiento posible, que proporcionen el caudal y la altura manométrica deseada. Para seleccionar los equipos de un cárcamo de bombeo los factores a tener en cuenta incluyen: a) Caudal de proyecto e intervalo de los mismos b) Ubicación de cárcamo de bombeo c) Diseño de la tubería de impulsión y d) Características de las curvas de caudal-altura de las bombas. Una vez que se hayan evaluado correctamente estos factores, puede procederse a la selección del número y capacidad de las bombas, el tipo de accionamiento y el tamaño óptimo de la tubería de impulsión. Normalmente, el primer paso consiste en definir las características del sistema-presión, encontrar una bomba o conjunto de ellas que manejen el flujo. Esto se hace al graficar la curva del sistema presión en una hoja con las curvas características de

70

bombeo. El punto de operación es aquel donde se intersectan la curva del sistema presión y la curva de la capacidad de bombeo-presión. Se obtiene así la presión y el flujo al cual se operará el sistema de bombeo. La bomba debe seleccionarse de tal forma que el punto de operación sea tan cercano como sea posible a su máxima eficiencia. Este procedimiento se muestra en la Figura 5.8.

Figura 5.8 Curvas características para operaciones de bombeo en a) serie y b) paralelo

Las bombas pueden conectarse en serie o en paralelo. Para series de operación a una capacidad dada, la presión total es igual a la suma de las presiones adicionadas por cada bomba. Para la operación en paralelo, la descarga total se multiplica por el número de bombas para una presión dada. Es de notar, sin embargo, que cuando se usan dos bombas en serie o en paralelo, ni la presión ni la capacidad para una curva de presión de sistema se dobla. Las velocidades específicas (ns) de los diferentes tipos de bomba estarán comprendidas en los siguientes límites:

AB

= B

C

DE

= EF

A D

E

F

B

CDos bombas

Carga del sistema

Una bomba

Carga

Descarga Descarga

Carga

AB = BC

DE = EF

BA CD E F

Q1

Q2

Nota: Q + Q21

Dos bombasCarga del sistema

Una bomba

(a) (b)

71

0 < ns ≤ 40 rpm

40 < ns ≤ 140 rpm140 < ns ≤ 300 rpm300 < ns ≤ 600 rpm

600 < ns ≤ 1500 rpm

Bomba de émbolo Bomba centrífuga lenta Bomba centrífuga rápida Bomba helicoidal Bomba turbo-hélice

Cuando ns sobrepase las 1,500 rpm, deberá reducirse la velocidad de la bomba prevista de antemano y dividir el caudal en dos o más bombas. Siendo:

4/3

2/1

HQnns

×= (5.8)

donde:

ns : Velocidad específica rpm n : Velocidad, rpm Q : Caudal, m3/s, en el punto de máximo rendimiento. H : Altura, m, es el punto de máximo rendimiento.

5.6.1 Determinación de los caudales Antes de seleccionar el equipo de bombeo es absolutamente imprescindible determinar los caudales por bombear. Los caudales que intervienen son el máximo de proyecto, el medio inicial y de proyecto y el mínimo inicial. Las bombas deben ser capaces de impulsar el caudal máximo de proyecto, transportado por la red de alcantarillado pues si no habría desbordamientos y en caso extremo inundaciones. Los caudales medio, mínimo y de proyecto son importantes, y los equipos deben seleccionarse para funcionar lo más eficientemente posible para los caudales medios. Los caudales iniciales mínimos tienen importancia para el dimensionamiento de la tubería de impulsión, ya que los sólidos que se depositen a bajas velocidades no deben producir obstrucciones. Los caudales iniciales mínimos a bombear se calculan a partir de los medios iniciales y pueden obtenerse, de forma aproximada, con los factores de la Tabla 5.5. Los caudales correspondientes a la vida útil de los equipos, son los caudales de proyecto y usualmente es de 20 años.

Tabla 5.5 Factores utilizados para la estimación del caudal mínimo Caudal medio m3/s Factor de caudal mínimo

0.05 0.25 0.5 0.35 2.5 0.45 5.0 0.50

Fuente: Metcalf and Eddy, 1985.

72

Una vez determinados los caudales iniciales y de proyecto, la siguiente decisión importante es si: a) Instalar equipos de capacidad suficiente para bombear la totalidad del intervalo de

caudales inicial y de proyecto. b) Prever la posibilidad de ampliar el cárcamo de bombeo cuando sea necesario en

el futuro. La capacidad de un cárcamo de bombeo se puede incrementar instalando rotores y bombas de mayor tamaño, añadiendo nuevas unidades o en algunos casos, instalando motores de mayor capacidad y velocidad de giro. 5.6.2 Ubicación del cárcamo de bombeo La ubicación del cárcamo de bombeo influye en el equipo por seleccionar, fundamentalmente en el tipo de accionamiento. En un cárcamo de gran tamaño en donde la totalidad o la mayor parte del caudal deban ser impulsadas, las bombas deben proyectarse para funcionar de forma continua, en la medida de lo posible. Los caudales bombeados varían así gradualmente en pequeños incrementos, a medida que lo haga el agua residual del infuente, de manera que se drene o alimente a la planta de tratamiento en forma constante. Esta forma de funcionamiento exige que haya como mínimo una bomba. Además de esta condición, debe poderse bombear el caudal máximo de proyecto. Por razones de mantenimiento y reparaciones, el diseño del cárcamo debe bombear este último caudal con la bomba de mayor capacidad fuera de servicio. Cuando un cárcamo de bombeo de gran tamaño debe funcionar continuamente, se suelen instalar bombas de velocidad variable, o bien una combinación de bombas de velocidad variable constante. También es posible utilizar bombas de velocidad constante o de dos velocidades, pero éstas producen cambios rápidos, aunque de pequeña magnitud, en los caudales impulsados a la planta de tratamiento, los cuales pueden afectar a los procesos de tratamiento. Los cárcamos de bombeo que sirven a redes de alcantarillado combinado pueden tener dos grupos de bombas: 1) un grupo para impulsar los caudales en tiempo seco a la planta de tratamiento o al interceptor que los transporta al cárcamo y 2) un grupo de bombas de mayor tamaño para impulsar las aguas residuales y pluviales, durante los periodos de lluvia intensa, al sistema de evacuación de aguas pluviales. Las bombas de este segundo grupo y su tubería de impulsión correspondiente, deben tener capacidad suficiente para evitar la inundación de calles y sótanos. Muchos de los cárcamos de bombeo de este tipo han sido construidos para servir a redes de alcantarillado combinado y descargan al agua pluvial directamente a los cursos de agua sin tratamiento previo.

73

5.6.3 Tuberías de impulsión Una tubería de impulsión es una tubería que recibe el agua residual descargada por un cárcamo de bombeo y que debe transportarla a presión hasta el punto de evacuación, el cual puede ser otra alcantarilla pero que funciona a gravedad, un tanque de almacenamiento o una planta de tratamiento. Los aspectos más importantes del dimensionamiento de una tubería de impulsión son la velocidad de circulación y las pérdidas por fricción. La velocidad debe ser lo suficientemente alta para transportar los sólidos por la tubería de impulsión a los caudales mínimos. Sin embargo, las velocidades elevadas crean mayores pérdidas por fricción y aumentan la altura manométrica total de las bombas. En general, se recomienda una velocidad mínima de 0.6 m/s y aplicar una velocidad de 1.0 m/s para arrastrar aquellos sólidos que hayan podido sedimentarse en la tubería por las circunstancias de operación. 5.6.4 Desarrollo de la curva altura-capacidad del sistema Una vez determinados los caudales del sistema, definido el tamaño de la tubería de impulsión y la altura geométrica, se obtiene la curva altura-capacidad del sistema. Esta curva es necesaria para determinar la capacidad de las bombas. La curva representa la altura de carga total que deben vencer las bombas funcionando a los diversos caudales de proyecto. La curva del sistema es la representación gráfica de la suma de la altura geométrica, las pérdidas por fricción y las pérdidas menores totales del sistema respecto al caudal (Figura 5.9). Además de su importancia para la determinación del tamaño de las bombas, la forma de la curva del sistema sirve, a menudo, como guía para seleccionar el número de bombas y el tipo de accionamiento. Por ejemplo, una bomba única de velocidad variable (o de dos velocidades) es más adecuada para un sistema con una altura geométrica pequeña y pérdidas por fricción elevadas. A baja velocidad, la carga de la bomba se reduce en proporción al cuadrado de la reducción de la velocidad, pero la altura del sistema se reduce, asimismo, en la misma proporción. Por lo tanto, si se selecciona una bomba para que funcione en un punto próximo al de máximo rendimiento a altas velocidades, funcionará cerca del máximo rendimiento a velocidades bajas. En comparación, un sistema que tenga una altura geométrica elevada y pocas pérdidas por fricción es más adecuado para el uso de varias bombas que funcionen en paralelo para el caudal del proyecto. Una reducción pequeña de la velocidad de la bomba reducirá la carga sobre la misma por debajo de la altura geométrica del sistema.

74

Figura 5.9 Curva de caudal-altura del sistema para una instalación de bombeo

típica La altura geométrica es la diferencia entre las cotas de la superficie libre del agua en la cámara de succión y en el punto de descarga. El nivel del agua en la cámara de succión varía entre los escalones de control de paro y arranque de las bombas y la superficie del agua en el punto de descarga puede variar igualmente. En consecuencia, la altura geométrica es variable, resultando en una familia de curvas del sistema que son paralelas. La curva del sistema de altura máxima corresponde al mínimo nivel del agua en la cámara de succión y la curva de altura mínima al nivel máximo en la cámara de succión. Para calcular las pérdidas por fricción en las tuberías del sistema, es preciso hacer una primera estimación de los diámetros y las piezas especiales por considerar. El número de bombas debe ser estimado así mismo, por tanteo, y los diámetros de los conductos se seleccionan inicialmente utilizando velocidades comprendidas entre 1 a 2.5 m/s. Las velocidades mayores se utilizan para las bombas de mayor tamaño. Aunque es deseable que las velocidades oscilen entre 1.0 y 2.0 m/s, ello puede resultar antieconómico.

Pérdidas porrazonamientoy localizadas

Alturageométrica

total

Curva característicade la bomba según

Fig 5.9 a

Curva del sistema

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

5

15

0

25

20

10

Altu

ra, e

n m

Caudal, en m3/s

Fig 5.9 b

75

5.7 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO La aplicación del análisis de sistemas a un cárcamo de bombeo tiene por finalidad seleccionar las bombas más adecuadas y definir sus puntos de funcionamiento. Este análisis supone el cálculo de las curvas del sistema y el uso de las mismas en conjunción con las curvas características de las bombas disponibles. Independientemente del costo de la energía y su variación, es importante proyectar sistemas de bombeo eficientes desde el punto de vista de consumo energético. 5.7.1 Sistema de una sola bomba Las curvas características de la bomba ilustran la relación existente entre la altura manométrica, el caudal, el rendimiento y la potencia al freno para una amplia gama de condiciones de funcionamiento posibles, pero no indican el punto de funcionamiento de la bomba. Este punto se obtiene representando gráficamente la curva característica de la bomba sobre la curva del sistema. El punto de funcionamiento de la bomba es el de intersección de las dos curvas. Si en el cálculo de la curva del sistema se utiliza un coeficiente de fricción demasiado conservador, puede que la bomba funcione en un punto más alejado de su curva característica de lo que se pretende. En casos extremos, ello puede conducir a una pérdida sustancial de rendimiento, a un motor sobrecalentado y posiblemente a cavitaciones, lo que puede evitarse si se representan gráficamente las curvas del sistema en las que se utilicen coeficientes de fricción de proyecto (tuberías viejas). El punto de máximo rendimiento debe estar cercano al de funcionamiento de proyecto y dentro de la familia de curvas del sistema. En el Ejemplo 6.6 (Capítulo 6) se ilustra el desarrollo de una curva del sistema y la determinación de punto de funcionamiento para una sola bomba. 5.7.2 Sistema de varias bombas En el campo de las aguas residuales, el tipo de cárcamo más usual tiene una o más bombas funcionando en paralelo. Sin embargo, pueden encontrarse casos en que las bombas trabajan en serie. 5.7.2.1. Funcionamiento en paralelo En esta situación, se recomienda utilizar el siguiente método de cálculo para determinar el punto de funcionamiento de las bombas. a) Las pérdidas por fricción en las tuberías de succión y descarga de cada bomba

individual no se incluyen en la curva del sistema. b) En su lugar, estas pérdidas se restan de las curvas características de cada

bomba individual y se obtienen unas curvas características modificadas, las cuales representan la capacidad de altura-caudal de cada bomba (Figura 5.10).

c) Cuando dos o más bombas funcionan en paralelo, la curva de altura-capacidad del conjunto se obtiene al sumar los caudales de cada curva modificada para una

76

altura dada (Figura 5.11A). El punto de intersección de la curva del conjunto con la del sistema proporciona la capacidad total del conjunto de las bombas y la altura modificada a la que trabaja cada una de ellas. Con el valor de estas alturas en cada una de las curvas características modificadas, se conoce el caudal descargado por cada bomba, su eficiencia y la potencia del freno necesaria en esas condiciones de funcionamiento. Para encontrar la altura total a la que trabaja cada bomba, hay que desplazarse verticalmente, a caudal constante, desde la curva característica modificada hasta la curva característica original correspondiente. Las especificaciones de las bombas deben hacerse de manera que las mismas puedan trabajar a esa altura manométrica. Cada bomba puede funcionar en diversos puntos de su curva característica, aumentando la altura y disminuyendo el caudal a medida que va entrando en funcionamiento simultáneo otras bombas. Debe hacerse un esfuerzo para limitar los puntos de funcionamiento a los comprendidos dentro de un intervalo de caudales entre el 60 y el 120% del punto de máximo rendimiento.

El proceso a realizar en la selección de bombas que funcionan en paralelo se ilustra en el Ejemplo 6.4 (Capítulo 6) que describe la selección de bombas de velocidad constante y de dos velocidades.

Figura 5.10 Desarrollo de la curva característica modificada de una bomba

8.6

Curva característicaoriginal de la bomba

Curva característicamodificada

Pérdidas en el cárcamo

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Altura

Caudal, en m /s3

3Caudal, en

m /s

Alturamanométricade la bomba

Pérdidas enla estación,

en m

Alturamanométricamodificada

de la bomba0.00 20.0 0.0 20.00.05 19.4 0.1 19.30.10 17.9 0.5 17.40.15 15.0 1.1 13.90.20 10.6 2.0

77

5.7.2.2. Funcionamiento en serie Las bombas instaladas en serie con otras existentes se utilizan para incrementar la capacidad del cárcamo de bombeo y la descarga de las bombas. A menudo, ello se hace en la tubería de succión o de impulsión de un cárcamo de bombeo a fin de superar algún condicionante específico. Cuando dos o más bombas funcionan en serie, la curva conjunta del sistema se obtiene sumando las alturas de cada bomba para cada caudal. Este procedimiento se ilustra en la Figura 5.11B. Cuando se instala una bomba de sobrepresión en una tubería de impulsión alimentada por bombas que funcionan en paralelo, la curva altura-caudal del conjunto se obtiene sumando la altura de la bomba de sobrepresión a la altura modificada de las bombas para un caudal dado. 5.8 MONTAJE DE LAS BOMBAS En cárcamos de bombeo convencionales las bombas normalmente son del tipo de eje vertical y succión única y se instalan en la cámara seca con los motores dispuestos sobre un piso situado por encima de las bombas, a las que se accionan por medio de un eje vertical flexible como se muestra en la Figura 2.3, Capítulo 2. Las bombas deben montarse de manera que el punto más alto de la carcasa se encuentre por debajo del nivel mínimo del agua residual en el cárcamo de bombeo. Esta disposición asegura que el aire no penetre en la bomba cuando no está en funcionamiento, por lo que, cuando se produce el arranque automático, ésta siempre se llena de agua. Las bombas deben disponerse alineadas y con separaciones idénticas suficientemente amplias para permitir el acceso y su mantenimiento. Se recomienda que la separación mínima entre bombas sea de 1 a 1.3 m cuando son pequeñas y del orden de la anchura de las volutas cuando se trata de bombas grandes. Es preciso disponer tapas de inspección en la voluta de la bomba y en los codos de succión. La superficie interna de la tapa de inspección debe tener la forma de la voluta o del codo. En los puntos superior e inferior de la voluta deben instalarse conexiones de venteo y drenaje de diámetro no inferior a 75 mm, incluyendo la válvula de conexión de drenaje. El drenaje de la carcasa y de la zona de juntas debe conectarse al canal general de drenaje del cárcamo. Puesto que el mantenimiento de la bomba supone, en su mayor parte, la comprobación de todos sus elementos móviles (rotor, eje, manguito del eje y cojinetes), es indispensable que las bombas sean fácilmente accesibles, lo cual se consigue cuando el motor está situado en el piso superior y la transmisión se efectúa mediante un eje flexible dotado de junta universal. Esta disposición tiene la ventaja que no afecta a la alineación entre bomba y motor. En las bombas en que el

78

acoplamiento es directo y el motor está montado sobre un bastidor acoplado a la bomba, es preciso extraer el motor para desmontar la bomba. En la Tabla 5.6 se muestran las ventajas y desventajas de la ubicación de los equipos de bombeo en el cárcamo.

Figura 5.11 Representación esquemática del funcionamiento de varias bombas

Curva característicaboma B

Curva característicaboma A

Curva característica combinadade las bombas A y B funcionandoen paralelo (Q = Q + Q )A B

a a

b

c c

b

Caudal

Altura

A) funcionamiento en paralelo

Curva característicabomba A

Curva característicabomba B

Curva característica combinadade las bombas A y B funcionandoen serie (H = H + H )A B

B) funcionamiento en serie

Caudal

Altura

a bc

d

e

a b c de

79

Tabla 5.6 Ventajas e inconvenientes de la ubicación del bombeo Bombeo previo Bombeo posterior

- Tipos de bombas más especiales por el contenido de sólidos

- Menores excavaciones en la planta de tratamiento al tratar agua impulsada

- Entrada de caudales constantes en la planta pero con variaciones en el tiempo en función de las bombas instaladas y de la capacidad del depósito

- Tipos de bombas más sencillas por ser agua tratada

- Mayores excavaciones para la planta de tratamiento al tener que emplearse a los niveles de agua de llegada

- Tratamiento de caudales irregulares, con sobredimensionamiento obligado de la planta

- Oscilación de carga importante en los reactores biológicos

Fuente: Hernández A. 1996. 5.9 TUBERÍAS DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN La velocidad del agua residual en las boquillas de succión y descarga varía entre 3 y 4.25 m/s. Si la velocidad resultante quedara fuera de este intervalo, lo más probable es que deba seleccionarse otra bomba más adecuada. Cuando las alturas manométricas son de 30 m o más, se suelen necesitar bombas con velocidades de descarga superiores a los valores indicados. Se recomienda que el diámetro de la tubería de succión sea una o dos veces superior al de la boquilla de succión de la bomba y que el del conducto de descarga sea, como mínimo, el doble que el de la boquilla de descarga de la bomba. En la mayoría de las bombas para aguas residuales, las boquillas de succión y descarga son del mismo tamaño, aunque, en ocasiones, la de succión es mayor. 5.9.1 Conducto de succión Las velocidades en el conducto de succión deben ser del orden de 1.2 a 1.8 m/s, por lo que es preciso colocar un reductor excéntrico en la conexión con la boquilla de succión, de manera que la zona recta quede situada en la parte superior del reductor (Figura 5.12). Las bombas de eje vertical suelen incluir, normalmente, un codo en la succión. Si este codo no forma parte del suministro, será preciso colocar un codo reductor, preferiblemente de gran radio, en la zona inferior de la bomba. La tubería debe incluir una válvula de compuerta situada a continuación del pasamuro de la pared divisoria entre la cámara húmeda y la cámara seca y una junta flexible entre la válvula anterior y la bomba. Esta disposición permite la apertura de la bomba sin inundar la cámara seca. El tipo de válvula más adecuado es el de compuerta tipo cuña con volante y husillo.

80

Figura 5.12 Bomba de agua residual típica con ampliación concéntrica y

reducción excéntrica El extremo de la tubería de succión, dentro del cárcamo de bombeo, suele incluir 1) un cono embridado de 90º a 45º con boca acampanada, o bien 2) un codo embridado de 90º o 45º con una pieza recta, de boca acampanada. Si el diámetro del extremo acampanado es D, el punto medio de la boca debe estar a una distancia de la solera del cárcamo comprendida entre ⅓ D y ½ D. En ocasiones, el extremo de la tubería de succión acaba directamente en la pared divisoria. Es preciso que el extremo de la tubería de succión se encuentre sumergido en todo momento para evitar la entrada de aire por razón del vórtice que se produce cuando el nivel del agua en el cárcamo de bombeo es bajo. La altura de agua por encima de la boca acampanada es función de la velocidad de entrada. En la Tabla 5.7 se indican las sumersiones requeridas para diversas velocidades de entrada.

Campana deaspiración

Ampliaciónconcéntrica

Reductorexcéntrico

Descarga

81

Tabla 5.7 Profundidad de sumersión requerida para prevenir vortex en la conexión de bombas de succión

Velocidad en la boca de succión de diámetro (D)

Sumersión necesaria (S)

m/s m 0.6 1.0 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7

0.3 0.6 1.0 1.4 1.7 2.15 2.6

Fuente: Metcalf and Eddy, 1985. 5.9.2 Conducto de descarga Las velocidades del agua en el conducto de descarga para el máximo caudal de bombeo deben variar entre 1.8 y 2.4 m/s. En el extremo de la descarga hay que instalar un cono de ampliación concéntrico, tal como se indica en la Figura 5.12, seguido de una válvula de retención y una válvula de compuerta, la cual, preferiblemente, conviene que sea del tipo de compuerta de cuña con volante y husillo. La válvula de retención debe ser, necesariamente, de uno de los tipos siguientes: válvula de retención de balanceo, válvula cónica, válvula de disco de inclinación o bien válvula de mariposa. La descarga de la bomba debe conectarse horizontalmente a la tubería de impulsión, ya que si la conexión fuera vertical podría producirse la sedimentación de los sólidos y la obstrucción de la descarga. En los cárcamos de bombeo de gran tamaño, situados en las plantas de tratamiento en las que la cota del agua en el canal de descarga varía muy poco, las bombas pueden instalarse de manera que cada una de ellas tenga un conducto de descarga independiente desprovisto de válvulas, que incluye un sifón, cuya parte inferior debe situarse a un altura mínima de 1 m sobre el nivel máximo del agua en el canal de descarga y que incorpora una ventosa automática en su parte superior que permanezca cerrada mientras funcione la bomba y se abra automáticamente cuando ésta pare para interrumpir el sifón y evitar el retorno del agua. Una disposición alternativa consiste en la descarga sobre unos vertedores, los cuales tienen el labio situado por encima del máximo nivel del agua en el conducto de descarga. Las bombas de alta capacidad y baja altura manométrica incorporan, en ocasiones, unas válvulas de retención del tipo clapeta y descargan en un conjunto de cámaras independientes que tienen unas mamparas para el control del flujo en las mismas. Esta disposición es aplicable, asimismo, a los cárcamos de bombeo de aguas pluviales.

82

5.10 PRUEBAS Y MANTENIMIENTO DE LAS BOMBAS Los controles y ensayos para verificar la calidad y buen funcionamiento de las motobombas se llevan a cabo en el sitio de fabricación, y también en el cárcamo de bombeo antes de la instalación de las mismas. A continuación se describen dichas pruebas: 5.10.1 Pruebas hidrostáticas La bomba, se probará, una vez que tenga sus orificios cerrados, durante un tiempo de 30 minutos a una presión doble de la de servicio, con un mínimo de 10 kg/cm2. 5.10.2 Ensayos hidráulicos La bomba se probará con agua a su velocidad real de funcionamiento. Se tomarán medidas que permitan construir las curvas características y compararlas con las dadas en garantía por el fabricante. Se deben verificar, en particular, los valores correspondientes a los puntos de operación definidos en el proyecto. No deberán ser aceptadas cifras que no cumplan con requerimientos establecidos. 5.10.3 Ensayos mecánicos Durante estos ensayos mecánicos se establecerá un diagrama de vibración. La amplitud medida, no deberá pasar un valor límite de 0.0075 m. En el curso de este ensayo no se observará ningún calentamiento anormal de 35 ºC, por encima de la temperatura ambiente. No se tolerará incidente alguno en la marcha. Se probarán los motores según las normas especializadas en esta materia. Las pruebas por realizar en el cárcamo permitirán verificar si la instalación funciona sin golpes ni fluctuaciones anormales. Deberá ser verificado igualmente el buen funcionamiento de los aparatos de control, así como los de puesta en marcha y paro. 5.10.4 Gasto o caudal Se empleará un aforador Venturi asociado a un manómetro diferencial. Se podrá utilizar también un tubo Pitot Para los conductos de gran diámetro se usará un molinete hidrométrico registrador. 5.10.5 Altura manométrica Se medirá la presión en la succión y en la impulsión, colocando un manómetro de mercurio sobre cada uno de los conductos correspondientes. Para presiones más elevadas, se emplearán manómetros metálicos.

83

5.10.6 Potencia absorbida Se medirá mediante métodos físicos directos, dinamómetros de torsión, o colocando un amperímetro en serie y un voltímetro en derivación. 5.10.7 Velocidad de rotación La velocidad de rotación se medirá con un contador de vueltas y un cronómetro. 5.10.8 Montaje Se comprobará el montaje de los motombas, poniendo especial atención al alineamiento de los ejes respectivos de la bomba y su motor, y al dispositivo de acoplamiento de los mismos, especialmente si se trata de acoplamientos elásticos. Si bien los motobombas salen de fábrica con una alineación perfecta de los elementos móviles, no siempre llegan al sitio de obra en estas condiciones, y menos aún cuando quedan instalados y unidos a sus tuberías de succión e impulsión. Los motobombas deberán quedar fijados sobre un macizo de fábrica que posea suficiente inercia para impedir toda deformación. La sobre elevación mínima del macizo respecto al suelo será de 10 cm. Se colocarán dispositivos amortiguadores para evitar las vibraciones del sistema, recomendándose igualmente su instalación en un soporte flotante sobre arena. 5.10.9 Mantenimiento de las bombas Para realizar un buen mantenimiento se aconseja: • Comprobar como mínimo una vez al año o después de 1,000 horas de trabajo el

nivel de aceite, procediendo al cambio del mismo si esto fuera necesario. • La cámara de aceite no debe estar nunca llena, dejando una holgura de un 15%

para facilitar la expansión del mismo. Si al verificar el aceite se comprueba que existe una sobrepresión, aún cuando la bomba se hubiera enfriado, pueden ocurrir dos cosas: • Pudo haberse añadido demasiado aceite cuando se cambió horas antes. • El líquido bombeado pudo haberse infiltrado en la cámara de aceite a través de la

junta mecánica. • El líquido bombeado pudo haber penetrado por el tornillo de inspección del aceite

a la cámara del mismo. • El líquido bombeado pudo haber penetrado a través del cable eléctrico, y haber

penetrado, a través del rodamiento y junta superior, en la cámara de aceite. • Si el aceite se ha emulsionado y toma un color amarillento, se debe revisar

primeramente el tornillo tórico y el tornillo de inspección de aceite de la cámara. Si

84

están bien estas dos piezas, debe comprobarse la cámara de conexiones, y ver si hay o no humedad. En cualquier caso, detectada la avería, hay que proceder al cambio de la pieza o piezas deterioradas.

El aceite se ha de renovar después de estas reparaciones.

85

6 EJEMPLOS 6.1 EJEMPLO 6.1 Selección de bombas para un cárcamo Se requiere un cárcamo de bombeo para una capacidad máxima de 75.7 l/s y una carga de 24 m. Es preciso que el bombeo se divida en 47.3 l/s a una carga total de 18 m y se empleé una sola bomba. Solución: La curva total para la carga dinámica contra la descarga se grafica como se muestra en la Figura 6.1. Los valores para la curva son obtenidos a partir de

CDT = HL + HF + HV (6.1) donde: CDT : Carga dinámica total HL : Carga estática total HF : Pérdida de carga por fricción HV : Carga de velocidad (V2/2g) Se necesitarán como máximo tres bombas (una de ellas de reserva), determine el flujo de diseño como sigue:

a) Dos bombas para 75.7 l/s a 24 m de CDT, b) Una bomba a 75.7/2 = 37.8 l/s a 24 m de CDT, c) Una bomba debe ser capaz de lograr estos requerimientos de 47.3 l/s a 18 m

de CDT. De acuerdo con el catálogo de fabricantes, se encuentra que dos bombas, A y B, lograrán las especificaciones. Las curvas características para cada bomba se muestran en la Figura 6.1. La intersección de la curva característica con la curva de carga-sistema indica que la bomba A puede lograr 47.3 l/s a la CDT de 18 m mientras que la bomba B puede lograr 49.8 l/s a un CDT de 18.6 m. Si se revisan las curvas de eficiencia para cada bomba, se tiene que la bomba B logrará el flujo presente a una eficiencia mucho mayor que la bomba A. De esta forma se selecciona la bomba B. Para el presente, seleccionar dos bombas del tipo B y usar una como de repuesto. Para el futuro, adicionar una bomba más del tipo B. Las características de operación para un amplio rango de tamaño de bombas y velocidades son proporcionadas por los fabricantes. Los equipos de manufactura especial para satisfacer los requerimientos de un cliente deben ser sometidos a una prueba previa en campo.

86

Figura 6.1 Solución al Ejemplo 6.1

6.2 EJEMPLO 6.2 En un canal de sección semicircular, y con una pendiente en el piso s = 1:500, llegan a un cárcamo de bombeo, los caudales siguientes: En estiaje, 5 l/s = Qtr En tiempo de lluvias, 20 l/s = 4Qtr La altura del piso de la canaleta en el cárcamo de bombeo es = ± 0 La altura del terreno en el cárcamo de bombeo = + 2.10 Las aguas residuales deben ser elevadas a una altura de + 10 m (p. Ej., la superficie del líquido en una instalación de lodos activados); la longitud de la tubería de impulsión es de 200 m. El costo de energía eléctrica es de $1.0 peso/kWh. Según los datos del Observatorio Meteorológico debe preverse como media anual 700 h de lluvia. El caudal máximo de aguas residuales se ha obtenido como 1/10 de la aportación media diaria de 150 l/hab/día. El coeficiente de rugosidad (m) para los cálculos hidráulicos es de 0.35.

6 12 18 25 31 37 44 50 56 63 69 76 8200

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

Gasto, en l/s x 10

TDH

, en

m

-4

70

60

50

40

Efic

ienc

ia (%

) B

Bomba ADos bombastipo B

Diseño 37.85 l/sa 24 m TDH

Diseño 75.7 l/sa 24 m TDH

Diseño actual47.3 l/s

Bomba B

Bomba B

Bomba AA

87

6.2.1 Capacidad de transporte del canal de llegada (Figura 6.1) con un tirante de agua de 25 cm.

Figura 6.1 Cárcamo de bombeo (Sección A-A)

88

Figura 6.3 Cárcamo de bombeo (Sección Planta) diámetro (d) = 25 cm = 0.25 m radio (r) = 0.25/2 = 0 .125 m P = Perímetro mojado, m A = Área (sección líquida), m2

R = Radio hidráulico, m s = Pendiente del cárcamo m = Coeficiente de rugosidad k = Coeficiente de velocidad ν = Velocidad de la corriente, m/s

P = (π)(0.125) + (2)(0.125) = 0.642 m

222

m0557.0)25.0)(125.0(8

)25.0)(()d)(r(8

)d(A =+=+=ππ

89

m087.0642.0

0557.0PAR === 295.0== 0.087R

002.0500:1s ≈= milésimas 0448.0== 0.002s

7.45295.035.0295.0100

m100k =

+∗

=+

=RR

sR ∗= kν ν = (45.7)(0.0448)(0.295) =

0.605 m/s < 3.5 m/s = νB max > 0.6 m/s = νo mín

Q = (ν)(A) Q = (0.0557 m2)(0.605 m/s) = 0.0337 m3/s = 33.7 l/s

Como el caudal máximo en tiempo de lluvias es de 20 l/s, esto significa que el cárcamo de bombeo (33.7 l/s) puede absorber este caudal. 6.2.2 Dimensionamiento de la cámara húmeda del cárcamo

a) Capacidad necesaria para una retención de 5 min en estiaje:

(5 min) x (0.3 m3/min) = 1.5 m3 Capacidad existente: Deducido de las dimensiones en bruto = (0.27) x (4.60) x (1.22) = 1.515 m3

A deducir, 3% por revestimientos 0.045 m3

Capacidad neta existente si las bombas comienzan a funcionar cuando el líquido llega a los –2.03 y cesan de funcionar cuando el nivel del líquido desciende a –2.30 = 1.470 m3

Dicha capacidad es suficiente para cumplir con la retención de 5 minutos en tiempo de estiaje.

b) Capacidad necesaria para una retención de 10 min. En tiempo de lluvias:

(10 min) x (1.2 m3/min) = 12 m3

Capacidad existente: Deducida de las dimensiones en bruto = (0.27 + 1.91) x (4.60) x (1.22) = 12.234 m3

a deducir 3% por revestimientos = 0.367 m3

90

Capacidad neta existente si las bombas comienzan a funcionar cuando el líquido llega a los –0.12 y cesan de funcionar cuando el nivel del líquido desciende a –2.30 = 11.867 m3

6.2.3 Dimensionamiento de la tubería de impulsión El caudal a considerar es el de tiempo de lluvias 20 l/s ≅ 0.020 m3/s. Debido a la escasa longitud de la tubería, puede emplearse la fórmula aproximada para el dimensionamiento económico.

m212.05.15.1Dw === 0.02Q La tubería se considera formada de fierro galvanizado φN 8”, cédula 40 (ya que la Hman = 17 m): con s = 1:190 y ν = 0.63 m/s > ν min = 0.5 m/s

max = 1.2 a 1.5 m/s hrd = pérdida de carga por fricción en la tubería de impulsión

m05.1190

1m200h rd ==

Para las conexiones de las bombas de estiaje (5 l/s) a la tubería general de φN 8” (Figura 6.2), con una longitud aproximada de 2.00 m, el diámetro económico necesario es:

m106.05.11w == 0.005D

y se toma tubería de fierro galvanizado φN 4”, cédula 40, con:

s = 1:60 y ν = 0.63 m/s

hrd = l x s

m03.060100.2 ==rdh

Con tubería de fierro galvanizado φN 8” para 5 l/s resulta:

m07.03000

1200 ==rdTrh

91

6.2.4 Tubería de succión para la bomba de tiempo de lluvias

m16.0dm020.0s/m1

s/m020.0vQA 2

3

=+

=→==

21

8πA

eligiendo tubería de fierro galvanizado φN 6”, cédula 40, y siendo J = 1:35 ν = 1.17 m/s < ν máx = 1.5 a 2 m/s hrs = pérdida de carga por fricción en la tubería de succión. Como la longitud de la tubería de succión es de unos 3.80 m, resulta

m11.035180.3 ==

Rrsh

6.2.5 Tubería de succión para la bomba de estiaje:

m.Adm.s/m

s/m.QA 080

21

8

005010050 2

3

=+

=→===πν

eligiendo tubería de fierro galvanizado φN 3”, cédula 40, con: s = 1:20 ν = 1 m/s < ν máx = 1.5 a 2 m/s La longitud de la tubería de succión es de 3.80 m aproximadamente, y por lo tanto,

m19.020180.3 ==

Trrsh .

6.2.6 Cálculo de los costos medios anuales de bombeo El cálculo es aproximado, ya que no puede saberse si las lluvias coinciden con los caudales máximos de estiaje. Los valores obtenidos son: por tanto, valores demasiado altos.

a) En estiaje:

Número de habitantes .1200150

1036005//150

103600hab

díahablQ

E tr =××

=××

=

Caudal total diario de aguas residuales:

92

añomdíamhabdíahablQT /700,65/1801000

1200//150 33 ==×

=

Duración teórica del bombeo diario:

díahhssl

sldíam /10/3600/5

/1000/180 3

=×

×

Costo del bombeo:

33 m/pesos107.0

día/m180kW/pesos0.1día/h10kW92.1

=××

b) En época de lluvias:

Tomando a 4Qtr como gasto máximo en tiempo de lluvias: Duración anual de las lluvias = 700 h

dh92.1

d365h700

==diarialluvialadeteóricaDuración

Duración teórica del bombeo diario:

díahhssl

sldíam /92.1/3600/20

/1000/138 3

=×

×

Costo del bombeo:

33 /113.0

/138/0.1/92.11.8 mpesos

díamkWpesosdíahkW

=××

6.3 EJEMPLO 6.3 Selección de bombas de velocidad constante y de dos velocidades Se desea proyectar un cárcamo de bombeo que sirva a una red de alcantarillado que recibe el agua residual de una cuenca vertiente parcialmente urbanizada. El agua se descargará a un colector. Se requiere un sistema de bombeo con capacidad para impulsar tanto los caudales correspondientes a 10 años como a los 20 años (caudales de proyecto) utilizando los datos que se suministran a continuación: Los caudales estimados para dentro de 10 años son de 0.044 m3/s y 0.095 m3/s para el caudal medio y máximo, respectivamente. Los caudales medio y máximo futuros de proyecto para dentro de 20 años son de 0.075 m3/s y 0.15 m3/s, respectivamente.

93

La población a ser servida para este caudal medio a 10 años (0.044 m3/s), considerando una aportación de 250 l/hab/día, será de 15,000 habitantes aproximadamente, y a 20 años será de 26,000 habitantes.

Información de proyecto para el Ejemplo 6.3 Valor a 10 años Valor a 20 años Población, habs 15,000 26,000 Caudal medio, m3/s 0.044 0.075 Caudal máximo, m3/s 0.095 0.15 La tubería de impulsión es de 300 mm de diámetro. Al final del período de diseño de 20 años, se estima que la pérdida por fricción en la tubería para el caudal máximo sea de 15 m. El desnivel del sistema medido entre el máximo nivel en la cámara de succión y el punto de descarga es de 7 m y la diferencia entre los niveles máximo y mínimo en la cámara es de 1.0 m. Las pérdidas en el cárcamo deben limitarse a 1.3 m en el punto de funcionamiento de las bombas, mediante un correcto dimensionamiento de las tuberías de succión y descarga de las mismas. Solución (primer tanteo): 1) Representar gráficamente la curva del sistema. Solamente hay una diferencia de

1 m entre los niveles máximo y mínimo en la cámara de succión y el caudal máximo será bombeado a nivel máximo en la cámara, sólo se precisa hacer la representación gráfica de la curva del sistema para una altura geométrica de 7.0 m.

a) La representación gráfica de la curva del sistema se realiza utilizando la

siguiente ecuación.

2

3

3

/15.0/150.7 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

smsmQmmHt (6.2)

La curva representada (Figura 6.3) refleja la fricción que tiene lugar en la tubería de impulsión al final del período de proyecto de 20 años.

b) Debido a que las pérdidas por fricción serán menores cuando la tubería de

impulsión sea nueva, deberá trazarse otra curva que refleje esta situación. Si se supone que el coeficiente C de Hazen-Williams para la tubería de impulsión es de 130 cuando está nueva y de 80 al final del período de 20 años, los valores correspondientes de la altura manométrica total para la nueva curva serán de 62% (80/130) de los calculados en el paso 1(a). La representación gráfica de la curva del sistema cuando la tubería de impulsión es nueva se realiza utilizando la siguiente relación (Figura 6.3).

94

2

3

3

/15.0/)15)(62.0(0.7 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

smsmQmmHt (6.3)

2) Representar gráficamente las velocidades en la tubería de impulsión en el

diagrama de la curva del sistema (Figura 6.2), con ayuda de

2

3

2

3

0071.0///msmQ

mAsmQsmV == (6.4)

3) Representar gráficamente los valores de los caudales mínimo, medio y máximo,

tanto para el período de 10 años como para el proyecto de 20 años, en la curva del sistema (Figura 6.3). Los caudales medios y máximos son datos del problema. El caudal mínimo al cabo de 10 años se obtiene de la Tabla 5.5 Capítulo 5. Debido a que ambos caudales medios son del orden de 0.05 m3/s, se emplea un factor de 0.25.

Caudal mínimo para el período de 10 años = 0.25 (0.044 m3/s) = 0.011 m3/s Caudal mínimo para el período de 20 años = 0.25 (0.075 m3/s) = 0.019 m3/s

4) Al analizar la curva del sistema y desarrollar un procedimiento para resolver el

problema, se obtienen las siguientes conclusiones:

• La curva del sistema tiene una altura geométrica pequeña y una altura de pérdidas por fricción alta.

• Tanto los caudales mínimos a los 10 como a los 20 años están por debajo de los que producen la velocidad mínima permisible en la tubería de impulsión de 0.6 m/s, lo cual indica que podrá existir deposición de sólidos en el sistema.

• La velocidad a caudal medio a los 10 años es del orden de 0.6 m/s y a caudal máximo es de 1.35 m/s, la cual es suficiente para arrastrar los sólidos que puedan depositarse.

• Hay una diferencia sustancial entre los caudales máximos a los 10 y 20 años. Si se instala una bomba con capacidad suficiente para el caudal máximo de proyecto, está sobredimensionada para el de los 10 años.

• Debido a que el cárcamo está ubicado en una zona alejada y el caudal bombeado por el mismo no es el principal componente de la totalidad del caudal que llega a la planta de tratamiento, no hay necesidad de instalar bombas de velocidad variable y pueden emplearse bombas de una o dos velocidades. Sin embargo, las bombas a instalar deberán ser capaces de bombear el caudal máximo de proyecto con la de mayor capacidad fuera de servicio. Como no se sabe si la cuenca servida tendrá un desarrollo subcrítico completo, el caudal al cabo de 10 años debe ser bombeado con el máximo rendimiento posible.

95

Figura 6.3 Curva del sistema para el análisis preliminar en el Ejemplo 6.4

Con base en el análisis precedente, se evalúan dos diseños alternos:

• Alternativa A. Una bomba en funcionamiento y otra de reserva, cada una de ellas con capacidad para el caudal futuro de proyecto. A fin de que el bombeo del caudal intermedio se haga de forma eficiente, deben usarse bombas de dos velocidades.

• Alternativa B. Dos bombas en funcionamiento y otra tercera de reserva, cada una de ellas con capacidad para bombear la mitad del caudal futuro de proyecto. Las bombas pueden ser de una o dos velocidades.

Solución (Alternativa A): 1. Determinar el punto de funcionamiento de las bombas.

a) El caudal en el punto de funcionamiento es:

smQ /15.0 3=

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Altu

ra m

anom

étric

a to

tal,

en m Curva del sistema

(tubería vieja)

Curva del sistema(tubería nueva)

Altura de proyectopara el sistema

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s

Mínimo Medio Máximo

Mínimo Medio Máximo

Caudal, en m /s3

Caudales intermedios (10 años), m /s3

Caudales de proyecto (20 años), m /s3

96

b) La altura en el punto de funcionamiento es

mmcárcamoelenpérdidasmH 3.233.12222 =+=+= 2. Seleccionar la bomba del catálogo del fabricante.

a) Debe seleccionarse una bomba de velocidad relativamente elevada, alrededor de 1170 rpm (véase Tabla 5.4, Capítulo 5) debido a que la altura es, asimismo, relativamente alta. Se selecciona una bomba de las siguientes características cuando trabaja a 1170 rpm (Tabla 6.1).

Tabla 6.1 Características de la bomba seleccionada

Punto de funcionamiento Caudal m3/s Altura m Rendimiento %

Válvula de descarga cerrada 60% PMR(1) Nominal PMR 120% PMR Sobrecarga

0.000 0.060 0.100 0.150 0.180 0.215 0.228

33.5 29.0 26.8 23.3 21.2 18.2 16.4

.. .. 68 76 78 76 70

(1) Potencia Máxima Requerida

3. Obtener la curva característica modificada de la bomba. La curva se obtiene por resta de la curva característica original y de las pérdidas que se producen en el cárcamo de bombeo

Las pérdidas en el cárcamo en el punto de funcionamiento (0.15 m3/s) son de 1.3 m. Para otros caudales, las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la relación entre los caudales y pueden calcularse mediante la siguiente relación:

Pérdidas en el cárcamo para un caudal dado 2

3 /15.03.1 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

smQm

En la Tabla adjunta se resumen las alturas y pérdidas en el sistema.

Tabla 6.2 Cálculos de alturas manométricas y pérdidas en el cárcamo Caudal, m3/s Característica 0.0 0.6 0.1 0.15 0.18 0.215 0.228

Altura manométrica de la bomba, m

Pérdidas en el cárcamo, m Altura manométrica modificada de

la bomba, m

33.5

0

33.5

29.0

0.2 28.8

26.8

0.6

26.6

23.3

1.3 22

21.2

1.9 19.3

18.2

2.7 15.5

16.4

3.0 13.4

97

4. Representar gráficamente las curvas características, original y modificada de la bomba sobre la curva del sistema, Figura 6.4.

Figura 6.4 Curva del sistema, alternativa A

Revisando la gráfica de la Figura 6.4, puede verse que la bomba funcionará en el punto de caudal 0.15 m3/s sobre la curva del sistema para la tubería vieja y a caudal de 0.177 m3/s y altura 21.4 m sobre la curva del sistema para la tubería nueva. 5. Determinar la potencia de la bomba y la energía consumida durante un día.

a) En la etapa de funcionamiento intermedio (10 años), la bomba funcionará en un punto de 0.177 m3/s, 21.4 m y 78% de rendimiento. La potencia necesaria en estas condiciones se determina por medio de la ecuación siguiente:

p

ti E

QHP

γ= (6.5)

0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

50

40

30

20

10

0

rpm

rpm

rpm

Punto de fun-cionamientode la bomba

Altura de proyectopara el sistema

Curva del sistema(tubería vieja)

Curva del sistema(tubería nueva)

Curva característicade la bomba

Curva característicamodificada de la bomba

Altu

ra m

anom

étric

a to

tal,

en m

Caudal, en m /s3

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Mínimo Medio Máximo

Mínimo Medio Máximo

Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s

Caudales intermedios (10 años), m /s3

Caudales de proyecto (20 años), m /s3

98

donde: Pi : Potencia absorbida, kW, kN m/s Ep : Rendimiento de la bomba, adimensional γ : Peso específico del agua, kN/m3 Q : Caudal, m3/s Ht : Altura manométrica total, m.

kWmsmmkNPi 6.4778.0

)4.21)(/177.0)(/81.9( 33

==

La potencia absorbida, suponiendo un rendimiento del motor del 90% es:

kWkWPm 539.0

6.47==

b) Determinación del número de horas de funcionamiento diario y de la energía

consumida:

dh

smsm

dhentofuncionamidehorasdeNúmero 97.5

/177.0/044.0)24( 3

3

==

dkWh316)kW53)(

dh97.5(consumidaEnergía ==

6. De la curva del sistema puede deducirse que la bomba está muy

sobredimensionada para los caudales intermedios de diseño. En consecuencia, debe utilizarse una bomba de dos velocidades para que su funcionamiento a los caudales intermedios sea eficiente.

Utilizando las leyes de afinidad y la curva característica modificada de la bomba, comprobar el funcionamiento de la misma a 870 rpm y a 705 rpm (vease Tabla 5.4, Capítulo 5). Los cálculos necesarios se resumen en la Tabla adjunta. 1170 rpm 870 rpm 705 rpm

Punto de funcionamiento

Caudal m3/s

Altura manométrica

m

Caudalm3/s(a)

Altura manométrica

m(b)

Caudal m3/s(a)

Altura manométrica

m(b)

Válvula de descarga cerrada 60% PMR Nominal PMR 120% PMR Sobrecarga

0.000 0.060 0.100 0.150 0.180 0.215 0.228

33.5 28.8 26.2 22.0 19.3 15.5 13.4

0.000 0.045 0.074 0.110 0.134 0.160

…

18.5 15.9 14.5 12.2 10.7 8.6 …

0.000 0.036 0.060 0.090

0.1009 … …

12.2 10.5 9.5 8.0 7.0 … …

(a) Q1/Q2 = N1/N2, (b) H1/H2 = N12/N2

2

99

7. Representar gráficamente las curvas modificadas para velocidad reducida sobre la curva del sistema (véase Figura 6.5) y analizar el sistema de bombeo resultante. Se pueden sacar las siguientes conclusiones:

a) A 870 rpm la bomba descarga 0.097 m3/s a 13.7 m (13.1 m de altura en el

sistema más 0.6 m de pérdidas en la estación) sobre la curva del sistema para tubería vieja. El rendimiento es del orden de un 73% (extrapolando la curva de 1,170 rpm para los puntos correspondientes). Este punto de funcionamiento es, esencialmente, el mismo que el del caudal punta intermedio de 0.095 m3/s. La velocidad en la tubería de impulsión es de 1.3 m/s, la cual es suficiente para arrastrar los sólidos depositados durante los periodos en que la bomba no funciona. A 870 rpm, la bomba descarga 0.11 m3/s a 12.9 m de altura con un rendimiento del 76% sobre la curva del sistema para la tubería nueva.

b) A 750 rpm, la bomba descarga 0.06 m3/s a 9.7 m de altura con un rendimiento de 68% para la tubería vieja y 0.07 m3/s a 9.2 m de altura y 71% para la tubería nueva. La velocidad resultante en la tubería de impulsión es del orden de 0.85 m/s, por lo que los sólidos más pesados pueden depositarse en ella. Sin embargo, puesto que esto sucede para la velocidad inferior y las bombas funcionarán periódicamente a mayor velocidad, no constituye un problema.

8) Determinar la potencia de la bomba. Suponer que se aplica la curva del sistema para tubería nueva.

a) A 870 rpm, suponiendo un rendimiento del motor de un 88%:

kW8.20)88.0)(76.0(

)m4.21)(s/m11.0)(m/kN81.9( 33

==Pm

b) A 705 rpm, suponiendo un rendimiento del motor de 86%:

kW3.10)86.0)(71.0(

)m2.9)(s/m07.0)(m/kN81.9( 33

==Pm

9) Comprobar la energía de la bomba. Se pueden considerar dos posibilidades:

Alternativa A-1. Instalar un motor de dos velocidades 1170/870 rpm para bombear tanto los caudales intermedios como los futuros de proyecto. Alternativa A-2. Instalar, inicialmente, un motor de 870/705 rpm que proporcione un bombeo adecuado con los caudales intermedios y reemplazarlo cuando se requiera bombear los caudales futuros de proyecto. a) Alternativa A-1. Todos los caudales intermedios se pueden bombear a 870

rpm.

100

dh6.9

s/m11.0s/m044.0)

dh24(entofuncionamidehorasde.No 3

3

==

d/kWh200)kW8.20)(d/h6.9(consumidaEnergía ==

b) Alternativa A-2. Suponer que el 80% del caudal se bombea a 705 rpm y el

20% restante a 870 rpm.

Caudal total bombeado = (0.044 m3/s)(86,400 s/d) = 3,800 m3/d)

- A baja velocidad:

dh12

)hmin/60min)(/s60)(s/m07.0()8.0)(d/m800,3(entofuncionamidehorasde.No 3

3

==

d/kWh124)kW3.10)(d/h12(consumidaEnergía ==

- A alta velocidad:

dh9.1

)hmin/60min)(/s60)(s/m11.0()2.0)(d/m800,3(entofuncionamidehorasde.No 3

3

==

d/kWh40)kW8.20)(d/h9.1(consumidaEnergía ==

El consumo total de energía para la alternativa A-2 es 124 +40 = 164 kW.

Solución (Alternativa B). 1. Determinar el punto de funcionamiento de las bombas.

a) El caudal en el punto de funcionamiento es:

sm075.0

2s/m15.0Q

33

==

b) La altura en el punto de funcionamiento es:

H = 23.3 m

2. Seleccionar la bomba del catálogo del fabricante. Se selecciona una bomba con

las siguientes características cuando trabaja a 1,170 rpm:

101

Punto de

funcionamiento Caudal m3/s Altura m Rendimiento %

Válvula de descarga cerrada 60% PMR Nominal PMR 120% PMR Sobrecarga

0.000 0.025 0.050 0.075 0.085 0.100 0.108

33.5 29.0 26.5 23.3 21.8 19.2 17.4

.. .. 68 75 76 72 69

3. Obtener la curva característica modificada de la bomba. Las pérdidas de la

estación en el punto de funcionamiento son de 1.3 m. En la Tabla adjunta se resumen los cálculos necesarios.

Caudal, m3/s Característica 0.0 0.025 0.05 0.075 0.085 0.1 0.108 Altura manométrica de la

bomba, m Pérdidas en el cárcamo, m

Altura manométrica modificada de la bomba, m

33.5

0

33.5

29.0

0.2

28.8

26.5

0.6

25.9

23.3

1.3

22.0

21.8

1.7

20.1

19.2

2.3

16.9

17.4

2.7

14.7

4. Representar gráficamente las curvas características, original y modificada, de la bomba sobre la curva del sistema (Figura 6.5).

5. Representar gráficamente la curva conjunta de las dos bombas funcionando en paralelo sobre la curva del sistema. La curva se obtiene determinando el caudal correspondiente a una altura dada en la curva característica modificada de la bomba y doblando el caudal a esa altura cuando las dos bombas trabajan en paralelo.

6. Para que funcionen dos bombas a bajo caudal debe reducirse su velocidad. Usando las leyes de afinidad y la curva característica modificada de la bomba, comprobar el funcionamiento a 870 y 705 rpm. Las curvas modificadas de las bombas se calculan a continuación.

102

1,170 rpm 870 rpm 705 rpm

Punto de funcionamiento

Caudal m3/s

Altura manométrica

m

Caudalm3/s

Altura manométrica

m

Caudal m3/s

Altura manométrica

m

Válvula de descarga cerrada 60% PMR Nominal PMR 120% PMR Sobrecarga

0.000 0.025 0.050 0.075 0.085 0.100 0.108

33.5 29.0 26.5 23.3 21.8 19.2 17.4

0.000 0.019 0.037 0.056 0.063 0.074 0.080

18.5 15.9 14.3 12.2 11.0 9.3 8.1

0.000 0.015 0.030 0.045 0.051

… …

12.2 10.5 9.4 8.0 7.2 … …

Representar gráficamente las curvas modificadas para velocidad reducida sobre la curva del sistema (Figura 6.5) y analizar el sistema de bombeo resultante.

Figura 6.5 Curva del sistema, alternativa B, para el ejemplo 6.4

2 bombas m

a 1p170 r

rpm

rpm

Curva caracterís-tica de la bomba

Punto de fun-cionamientode la bomba

Curva del sistema(tubería vieja)

Curva del sistema(tubería nueva)

Curva característicamodificada de la bomba

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Caudal, en m /s3

Altu

ra m

anom

étric

a to

tal,

en m

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Mínimo Medio Máximo

Mínimo Medio Máximo

Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s

Caudales intermedios (10 años), en m /s3

Caudales de proyecto (20 años), en m /s3

rpm

103

De acuerdo con ello, se puede concluir lo siguiente:

a) Si se selecciona la velocidad de 705 rpm, la secuencia de funcionamiento de las bombas será:

Paso 1. Una bomba, baja velocidad (0.046 m3/s a 7.9 m) Paso 2. Dos bombas, baja velocidad (0.06 m3/s a 8.3 m) Paso 3. Dos bombas, alta velocidad (0.175 m3/s a 19.5 m)

Hay un salto excesivamente grande entre los pasos 2 y 3, este último sería necesario para bombear los caudales intermedios. En consecuencia el funcionamiento a 705 rpm no es adecuado por lo que esta alternativa debe desecharse. b) Si se selecciona la velocidad de 870 rpm, la secuencia de funcionamiento de

las bombas será: Paso 1. Una bomba, baja velocidad (0.075 m3/s a 9.0 m y 72% de rendimiento) Paso 2. Dos bombas, baja velocidad (0.125 m3/s a 13.5 m y 74.5% de rendimiento) Paso 3. Dos bombas, alta velocidad (0.175 m3/s a 19.5 m y 76% de rendimiento).

8. Determinar la potencia de la bomba y la energía consumida cuando funciona

sobre la curva del sistema para la tubería nueva.

a) La potencia necesaria para el funcionamiento de la bomba en el paso 1 es 10.7 kW, suponiendo un rendimiento del motor del 86%.

( )( )( ) kWmsmmkNPi 2.9

72.00.9/075.0/81.9 33

== kWkWPm 7.1086.0

2.9==

b) La potencia necesaria para las dos bombas (paso 2) es 25.8 kW, suponiendo

un rendimiento del motor del 86%.

( )( )( ) kWmsmmkNPi 22.22745.0

5.13/125.0/81.9 3

== kWkWPm 8.2586.0

22.22==

c) La potencia necesaria para las dos bombas (paso 3) funcionando a alta

velocidad para la curva del sistema con tubería nueva es 51.21 kW, suponiendo un rendimiento del motor del 86%.

p

ti E

QHP

γ=

104

( )( )( ) kWmsmmkNPi 04.4476.0

5.19/175.0/81.9 33

== kWkWPi 21.5186.0

04.44==

9. Comprobar el consumo de energía para los caudales intermedios. Puesto que la

descarga a baja velocidad en esta alternativa es ligeramente superior que la de la alternativa A-1 (0.075 m3/s frente a 0.07 m3/s), suponer que 85% del caudal se bombea a baja velocidad y 15% a alta velocidad. En base a este supuesto la energía consumida a baja velocidad es 148.8 kWh/d y a alta velocidad 31.2 kWh/d, totalizando 180 kWh/d.

Costo comparativo de alternativas

1. Comparación de los costos de energía de las alternativas

Alternativa A-1 A-2 B

Energía consumida kWh/d

200 170 180

a) El ahorro de la alternativa A-2 sobre la A-1 es de 30kWh/d es decir, 4073

pesos/año para un costo supuesto de 0.372 pesos/kWh. El ahorro durante el período intermedio (10 años) basado en una tasa de interés compuesto anual del 8% es aproximadamente, 59,520 pesos. El costo de reposición de un motor, si se presentan los caudales de proyecto para el período de 20 años, debe ser comparado con los ahorros calculados.

b) El ahorro de la alternativa A-2 sobre la B es de 10 kWh/d, es decir 1,358 pesos/año y de 19,623 pesos durante el período intermedio de 10 años.

Selección final de las bombas Cualquiera de las dos alternativas A o B, es aceptable. La selección de la alternativa A-1, A-2 o B debe basarse sobre consideraciones económicas y sobre sus ventajas. 1. Algunas de las posibles ventajas de la alternativa A sobre la B son: construcción

de un edificio de menor tamaño, ya que hay que instalar sólo dos bombas en lugar de tres; menor costo de mantenimiento de las dos bombas frente al de tres y control del sistema más sencillo.

2. La ventaja de la alternativa B sobre la A-2 reside en que los equipos instalados tienen capacidad para bombear los caudales futuros de proyecto a 20 años, mientras que, en la alternativa A-2, hay que cambiar un motor de una bomba para poder bombear los caudales futuros, aunque es posible que éstos no se presenten.

3. Para ilustrar el efecto que tiene la curva del sistema sobre la selección de las bombas, suponer que la altura geométrica en este ejemplo es tres cuartas partes de la altura manométrica total en el punto de funcionamiento y, asimismo, que hay una disminución correspondiente de las pérdidas por fricción, tal como la que puede ocurrir con una tubería de impulsión de menor longitud. Las curvas del sistema, en este caso, serían las mostradas en las Figuras 6.6 y 6.7. Como puede verse en la Figura 6.6, la bomba descargará el caudal de proyecto a 1170

105

rpm, pero solamente 0.037 m3/s a 870 rpm. La velocidad de 705 rpm no puede utilizarse porque la altura geométrica del sistema es mayor que la de la bomba a válvula cerrada. Debido a que la bomba funciona cerca de este punto a 870 rpm (0.037 m3/s es el 33% del correspondiente al punto de máximo rendimiento), esta no debe trabajar en continuo a baja velocidad. En esta alternativa, el bombeo de los caudales intermedios se produce a bajo rendimiento y, en consecuencia, esa bomba no debe utilizarse.

Figura 6.6 Curva revisada del sistema, alternativa A (funcionamiento de una bomba)

Como se muestra en la Figura 6.7, una bomba funcionando a alta velocidad descarga aproximadamente 0.095 m3/s (95 l/s) a 17.3 m de altura y dos bombas en paralelo son capaces de bombear los caudales máximos del período de proyecto. Como se ha indicado anteriormente en la alternativa A, las bombas en la alternativa B no deben funcionar a baja velocidad porque trabajarían cerca del punto de funcionamiento a válvula cerrada.

Punto de fun-cionamientode la bomba

Curva del sistema(tubería vieja)

Curva del sistema(tubería nueva)rpm

rpm705 rpm

Altura del sistemade proyecto

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Altu

ra m

anom

étric

a to

tal,

en m

Caudal, en m /s3

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Mínimo Medio Máximo

Mínimo Medio Máximo

Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s

Caudales intermedios (10 años), m /s3

Caudales de proyecto (20 años), m /s3

106

De ambas alternativas, sería preferible escoger la B, con bombas de una velocidad, para un sistema con altura geométrica alta. Asimismo, sólo se precisa instalar inicialmente dos bombas (una en reserva) para bombear los caudales intermedios e instalar una tercera en el futuro cuando los caudales que se presenten excedan los previstos.

Figura 6.7 Curva revisada del sistema, alternativa B (funcionamiento de dos

bombas) 6.4 EJEMPLO 6.4 Determinación del control de bombeo para bombas de dos velocidades Establecer una secuencia de bombeo para la alternativa B del Ejemplo 6.3. La conFiguración de la cámara de succión es similar a la indicada en la Figura 2.3, Capítulo 2 y las cotas de la misma en la Figura 6.8. Suponer que se utiliza un sistema de control de niveles y que la separación a mantener entre cada escalón de control es de 0.15 m.

Punto de fun-cionamientode la bomba

Curva del sistema(tubería nueva)

Curva del sistema(tubería vieja)

Dos bombas a 1170 rpm

1170 rpm

rpm

rpm

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Altu

ra m

anom

étric

a to

tal,

en m

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s

Mínimo Medio Máximo

Caudales intermedios (10 años), m /s3

Caudales de proyecto (20 años), m /s3

Caudal, en m /s3

Mínimo Medio Máximo

107

Medio Máximo Caudal estimado a 10 años m3/s: 0.0044 0.095 Caudal estimado a 20 años m3/s: 0.075 0.150

La tubería de impulsión es de 0.30 m de diámetro. Pérdida de fricción en la tubería después de 20 años: 15 m. Altura geométrica: 7 m. Diferencia entre niveles máximo y mínimo: 1.0 m. Las pérdidas en el cárcamo se limitan a 1.3 m. Solución: 1. Revisar el Ejemplo 6.3. La alternativa B implica un sistema de bombeo que consta

de dos bombas de dos velocidades y una tercera de reserva. El intervalo de control de niveles en la cámara de succión es de 1.0 m. Los tres pasos de funcionamiento son los siguientes:

Etapa I: Primera bomba, velocidad baja. Etapa II: Segunda bomba, velocidad baja. Etapa III: Ambas bombas, velocidad alta.

2. Establecer el nivel mínimo en la cámara de succión. La parte superior de la

bomba está situada en la cota 51.4 y el nivel mínimo debe estar por encima de esa cota; es decir en la cota 51.5 m. La primera bomba, en la etapa I, se para cuando el líquido alcanza esta cota.

3. Establecer el nivel máximo en la cámara de succión. El intervalo activo es de 1.0 m, por lo que el nivel máximo será de 52.5 m. En la etapa III, ambas bombas se ponen en funcionamiento cuando el agua alcanza esta cota.

4. Establecer las cotas de los puntos de arranque. Ambas bombas arrancan cuando el nivel es de 52.5 m y debe mantenerse una separación entre funciones de control de 0.15 m, se pueden establecer las siguientes cotas para los arranques:

Arranque de la primera y segunda bomba (alta velocidad) 52.50 m Separación -0.15 m Arranque de la primera y segunda bomba (baja velocidad) 52.35 m Separación -0.15 m Arranque de la primera bomba (baja velocidad) 52.20 m 5. Establecer las cotas de los puntos de paro

Paro de la primera bomba 51.50 m Separación 0.15 m Paro de la primera y segunda bomba (baja velocidad) 51.65 m Separación 0.15 m Paro de la primera y segunda bomba (alta velocidad) 51.80 m

108

6. Establecer las cotas de alarma y paro de las bombas por nivel mínimo.

a) La alarma de nivel máximo se sitúa por encima del nivel normal más elevado y por debajo del arranque de la bomba de reserva.

b) La alarma de nivel mínimo se sitúa por debajo del nivel normal más bajo pero por encima del de paro de emergencia de bajo nivel.

c) El paro de emergencia de bajo nivel se establece para proteger a las bombas y otros equipos instalados en la cámara de succión. En este ejemplo, el nivel debe de situarse para evitar el descenso del agua en la cámara de succión por debajo de la parte inferior de las rejas.

d) Los niveles de los paros de alarma y emergencia por bajo nivel se establecen como sigue:

Cota de alarma de nivel máximo 52.65 (52.50 + 0.15) Cota de alarma de nivel mínimo 51.35 (51.50 – 0.15) Cota de paro de nivel bajo 51.20 (51.35 – 0.15)

7. Establecer el intervalo de funcionamiento de la bomba de reserva.

a) La bomba de reserva solamente funciona a alta velocidad. En consecuencia, se para a la misma cota que la de la etapa III.

b) La cota de arranque de la bomba de reserva se establece en la 52.80 (52.65 + 0.15). esta cota por encima de la alarma de nivel máximo, de manera que el operador es alertado cuando falla una de las bombas.

109

Figura 6.8 Control de niveles de la cámara de succión

6.5 EJEMPLO 6.5 Desarrollo de la curva del sistema y determinación del punto de funcionamiento para un sistema de una sola bomba. Un caudal de 0.35 m3/s de agua residual de una red de alcantarillado ha de bombearse mediante el sistema de bombeo mostrado en la Figura 3.3, Capítulo 3. Suponer que la tubería de succión tiene 5.0 m de diámetro y 4 m de longitud y que la de impulsión es de 0.45 m de diámetro y 770 m de longitud; ambas tuberías son de fundición. La altura geométrica de succión es 1 m y la de elevación 21 m. Desarrollar una curva del sistema para caudales comprendidos entre 0.0 y 0.5 m3, Aunque en la Figura 3.3, Capítulo 3, se muestran dos codos a 45º, suponer que en la tubería de impulsión existen cinco codos. Para el cálculo de la pérdida en la abertura de succión suponer un coeficiente de 0.2. Si una bomba con sección y boquilla de descarga de 350 mm que funciona a 1150 rpm tiene las características indicadas en la Tabla adjunta, determinar el caudal producido por la bomba cuando funcione para la curva del sistema. Asimismo,

Cota del pisobase de latubería 52.1 m

Desmenuzador

Cota 54.2

Cota 53.15

Bomba ycota 51.4

Cota del nivelmáximo 52.5 m

Cota del nivelmínimo 51.5 m

Tubo decaída deentrada

Arranque

Paro

52.2

51.5

52.35

51.65

Arranque

Paro

Arranque

Paro

Arranque

Paro

Arranque

Paro

52.5

51.8

52.65

51.3551.2

52.8

51.8

Funcionamientode la alarma denivel máximo

Paro de emergenciade nivel mínimo

Funcióncota, m

Funcióncota, m

Funcióncota, m

Funcióncota, m

Eta

pa 1

Prim

era

bom

baba

ja v

eloc

idad

Eta

pa 1

Prim

era

bom

baba

ja v

eloc

idad

Eta

pa 1

Prim

era

bom

baba

ja v

eloc

idad

Alar

ma

Bom

ba d

e re

serv

aal

ta v

eloc

idad

Función de control

110

determinar la altura manométrica total y el rendimiento. Si se bombean 0.2 m3/s a velocidad inferior, determinar la nueva velocidad de funcionamiento y el rendimiento.

Tabla 6.3 Características de la bomba Caudal, m3/s Altura, m Rendimiento, %

0.00 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

40.0 39.0 ...

36.6 ...

32.5 ...

23.0 13.5

...

... 77.0 80.6 83.4 84.6 84.6 82.6 75.0

Solución: 1. Desarrollo y representación gráfica de la curva del sistema. La altura

manométrica total para los diversos caudales se determina mediante la ecuación siguiente, en la que la pérdida de altura de velocidad se considera como una pérdida menor.

mdfdmsfsgeomt hhhhHH ∑++∑++= (6.6)

a) La altura geométrica es

mmmhhH sdgeom 20121 =−=−= (6.7)

b) Las velocidades en las tuberías de succión, y en la descarga en las boquillas

de la bomba para el caudal de 0.35 m3/s son las siguientes

smmsmVd /20.2

)45.0)(4/(/35.0

2

3

==π

c) Cálculo de las pérdidas en la tubería de succión para el caudal de 0.35 m3/s:

• Las pérdidas por fricción hfs utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach son las siguientes

msmx

smg

Vs 161.0/81.92)/78.1(

2 2

22

== (6.8)

f = 0.017 (del Diagrama de Moody)

111

mmm

mg

VDLfh s

fs 022.016.05.0

4017.02

2

==×= (6.9)

• Las pérdidas menores Σhms son:

Pérdida de embocadura (boca acampanada) = mg

Vs 032.0161.02.02

2.02

=×=

Pérdida en codo = mg

Vs 032.0161.02.02

2.02

=×=

Válvula de compuerta (totalmente abierta) = mg

Vs 011.0161.007.02

07.02

=×=

mhms 075.0011.0032.0032.0 =++=Σ La pérdida en el reductor concéntrico de 500 mm a 350 mm (utilizando en la conexión de la tubería de succión con la boquilla de la bomba) es:

mmsm

smg

Vs 027.068.004.0/81.92)/64.3(04.0

204.0 2

22

=×=×

=

Las pérdidas menores totales son Σhms:

mmm 102.0027.0075.0 =+

• Pérdida total en succión:

mmm 124.0102.0022.0 =+

d) Cálculo de las pérdidas en la tubería de impulsión para el caudal de 0.35 m3/s.

• Las pérdidas por fricción hfd utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach, son:

msm

smg

Vs 247.062.1984.4

/81.92)/2.2(

2 2

22

==×

=

f = 0.018

mmmm

gV

DLfh d

fd 608.7247.045.0

770018.02

2

==×=

• Las pérdidas menores son Σhmd:

Válvula de retención (totalmente abierta) = mmg

Vd 62.0247.05.22

5.22

=×=

112

Válvula de compuerta (totalmente abierta) = mmg

Vd 02.0247.007.02

07.02

=×=

Codos (5 a 0.2 cada uno) = mmg

Vd 247.0247.00.12

0.12

=×=

Pérdida en la descarga = mmg

Vd 247.0247.00.12

0.12

=×=

mmmmmhmd 13.1247.0247.002.062.0 =+++=Σ

• La pérdida en el cono de ampliación de 350 a 450 m (utilizado para conectar la boquilla de descarga de la bomba con tubería de impulsión) es:

m042.0s/m81.9x2

)s/m20.2s/m64.3(4.0g2

)VV(4.02

2221 =

−=

−

Las pérdidas menores totales son 1.13 m + 0.042m = 1.171 m

La pérdida total en la succión sería igual a la suma de las pérdidas por fricción y las pérdidas menores:

7.608 m + 1.171 m = 8.799 m

Y las pérdidas totales del sistema considerando succión e impulsión serían:

0.124 m + 8.779 m = 8.903 m

e) Calcular las alturas manométricas totales para los diversos caudales,

suponiendo que las pérdidas varían con el cuadrado del caudal (suponiendo constante el coeficiente de fricción).

Q, m3/s Q/0.35 (Q/0.35)2 Σ(hf+hm) Hgeom Ht

0.35 1.0 1.0 8.903 20.0 28.9 0 0 0 0 20.0 20.0

0.10 0.286 0.082 0.730 20.0 20.7 0.20 0.571 0.327 2.912 20.0 22.9 0.30 0.857 0.735 6.544 20.0 26.5 0.40 1.143 1.306 11.629 20.0 31.6 0.50 1.429 2.041 18.173 20.0 38.2

f) Representar gráficamente los valores de la altura total con respecto a su caudal correspondiente (Figura 6.9).

113

Figura 6.9 Curva del sistema para el ejemplo 6.5.

2. Determinar el caudal, altura manométrica y rendimiento de la bomba cuando

funcione con la curva del sistema desarrollada en el paso 1.

a) Utilizando los datos proporcionados, representar gráficamente la curva característica y de eficiencia de la bomba.

b) El punto de intersección de la curva característica de la bomba con la del sistema es el punto de funcionamiento de la bomba. Para ese punto se tienen los siguientes valores:

Caudal Q = 0.35 m3/s Altura H = 29 m Eficiencia = 84.6%

3. Determinar la velocidad de giro, la altura y la eficiencia de la bomba cuando ésta

impulsa 0.2 m3/s contra la curva del sistema previamente determinada.

114

a) A partir de la curva del sistema para un caudal de 0.2 m3/s, la nueva altura H es 23.0 m.

b) La nueva velocidad de giro está dada por la aplicación de las leyes de afinidad:

22

21

2

1

2

1

2

1

NN

HH

NN

QQ

==

Sin embargo, estas leyes solamente son válidas para puntos correspondientes y el punto correspondiente de la curva característica original de la bomba es desconocido. Este punto puede determinarse por el siguiente procedimiento:

Eliminando N1 y N2 de las ecuaciones anteriores se obtiene:

21

22

1

2

QQ

HH

=

Despejando a H2 nos queda una ecuación de una parábola que pasa por el origen y el nuevo punto de funcionamiento y es el lugar geométrico de los puntos correspondientes a diferentes velocidades.

Determinación del valor de la constante k.

5

2

23 ms575

)s/m2.0(m0.23k ==

Determinar al menos dos puntos sobre la parábola utilizando la ecuación H2=575Q2

2:

Q2 = 0.1 m3/s H2 = 5.75 m Q2 = 0.15 m3/s H2 = 12.9 m Q2 = 0.25 m3/s H2 = 35.9 m

Representar gráficamente la parábola como se indica en la Figura 6.9 y determinar las coordenadas de su intersección con la curva característica de la bomba a 1,150 rpm. Las coordenadas son:

Q = 0.248 m3/s H = 35.4 m

Este es el punto de la curva original de la bomba correspondiente al nuevo punto de funcionamiento a velocidad reducida.

La velocidad reducida se obtiene por aplicación de las leyes de afinidad:

rpm927s/m248.0

s/m2.0xrpm150,1QQNN 3

3

1

212 ===

115

La eficiencia en el nuevo punto de funcionamiento se supone igual a la del punto correspondiente en la curva característica dada de la bomba. Por lo tanto, el rendimiento será aproximadamente del 83%. 6.6 EJEMPLO 6.6 Selección de bombas de velocidad variable y constante Seleccionar dos o más bombas para su instalación en un cárcamo de bombeo de gran tamaño que ha de impulsar el agua residual a la planta de tratamiento mediante una tubería de impulsión de 1.00 m de diámetro. El caudal medio inicial es, 1.0 m3/s, el mínimo inicial es el 40% del medio (0.40 m3/s) y el máximo inicial es dos veces el medio (2.0 m3/s). Los caudales futuros se han estimado en un 50% superior a los iniciales. La capacidad inicial del cárcamo ha de ser de 2.5 m3/s. Las pérdidas por fricción en la tubería de impulsión para el caudal futuro de proyecto se ha estimado en 6.0 m. Las pérdidas iniciales serán el 60% de las futuras debido a que la tubería será nueva y tendrá un coeficiente C de Hazen-Williams más elevado. Las pérdidas en el cárcamo se suponen de 1.3 m para el punto de funcionamiento de las bombas (condiciones futuras). La altura geométrica es 14 m para el máximo nivel de la cámara de succión y de 16 m para el nivel mínimo. Las bombas tendrán un control automático o manual entre ambos niveles. Solución: 1. Tabular los caudales de proyecto en m3/s.

Caudal Mínimo Medio Máximo Inicial Futuro

Máximo inicial

0.40 0.60 ---

1.0 1.5 ---

2.0 3.0 2.5

2. Representar gráficamente la curva del sistema y los diversos puntos

correspondientes al caudal y las velocidades en la tubería de impulsión (Figura 6.10). La curva del sistema debe incluir, asimismo, la curva mínima correspondiente a la tubería nueva para asegurar que no se presentarán problemas. La curva del sistema se representa utilizando la siguiente relación:

a) Condiciones futuras con tubería vieja:

2

3 /36 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

smQmgeométricaalturaH t

b) Condiciones iniciales con tubería nueva:

116

2

3 /3)6)(6.0( ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

smQmgeométricaalturaH t

3. Análisis de la curva del sistema. Pueden extraerse las siguientes conclusiones:

a) La curva del sistema es básicamente plana con elevada altura geométrica y pérdidas por fricción bajas.

b) El caudal mínimo inicial es bombeado con una sola bomba que trabaja en el nivel mínimo de la cámara de succión (la mayor altura geométrica). En estas condiciones, la bomba debe ser capaz de impulsar 0.4 m3/s a una altura de 16.1 m, más las pérdidas en el cárcamo.

c) El caudal máximo inicial de 2.5 m3/s será bombeado con una o más bombas funcionando el nivel máximo de la cámara de succión (curva mínima del sistema). En consecuencia, la altura de proyecto correspondiente a este caudal será de 18.2 m más las pérdidas en el cárcamo, es decir, 19.5 m.

4. Selección de las bombas.

a) Como las bombas funcionarían en continuo, debe emplearse bombas de velocidad variable y constante. En estas condiciones, la primera bomba, trabajando a su velocidad mínima, no deberá impulsar un caudal superior a la mitad del correspondiente a su velocidad máxima. De esta manera, el sistema estará formado por: 1) la primera bomba de velocidad variable, funcionando entre el 50% y el 100% de su capacidad, y 2) dos bombas de velocidad variable funcionando entre el 100% (50 + 50) y el 200% de la capacidad (referida a la de una sola bomba). Una bomba de velocidad constante puede, entonces, funcionar al 100% de capacidad de manera que cuando las tres bombas trabajan simultáneamente producen del 200% (50 + 50 + 100) al 300% de la capacidad de una de ellas.

b) El caudal inicial de proyecto puede bombearse con dos o tres bombas funcionando en paralelo. Lo más conveniente es utilizar el menor número posible de bombas pero con la condición de que cada una de ellas sea capaz de funcionar a velocidad reducida para el caudal inicial mínimo.

• El punto de funcionamiento para las dos bombas es:

masmsm 5.19/25.12

/5.2 33

=

• El punto de funcionamiento para las tres bombas es:

masmsm 5.19/83.03

/5.2 33

=

117

c) Como se muestra en la Figura 6.10, el máximo rendimiento para las bombas de capacidad superior a 0.6 m3/s es del orden del 90% y ello para una velocidad específica de aproximadamente 60, lo cual exige un rotor dentro del intervalo del tipo Francis o de flujo mixto.

d) A fin de disponer de una bomba que tenga la máxima disminución entre su velocidad máxima y mínima, la bomba debe seleccionarse de una manera que su punto de funcionamiento esté situado a la derecha del de máximo rendimiento en la curva característica.

e) Teniendo en cuenta los factores mencionados, se seleccionan bombas de las siguientes características:

• Para dos bombas o una tercera en reserva (600 mm), de flujo mixto (585

rpm):

Punto de funcionamiento

Caudal, m3/s

Altura, m

Rendimiento, %

Válvula de descarga cerrada

60% PMR

PMR Nominal

120% PMR

0.00 0.50 0.72 1.20 1.25 1.43

31.1 28.2 26.5 20.5 19.5 15.8

... ... 70 85 84 79

Nota: 1. La Altura positiva de succión (NPSH) necesaria al 120% PMR = 6.7 m. 2. El rodete es de tamaño medio de tal modo que la capacidad puede

aumentarse o disminuirse.

• Para tres bombas y una cuarta en reserva (500 mm) de flujo mixto (705 rpm):

Punto de

funcionamiento Caudal,

m3/s Altura,

m Rendimiento,

% Válvula de descarga

cerrada

600% PMR PMR

Nominal 120% PMR Sobrecarga

0.00 0.25 0.46 0.78 0.83 0.96 1.00

26.9 23.5 22.6

200.1 19.5 16.5 14.9

-- -- 76

86.5 86 81 77

Nota: 1. La Altura positiva de succión (NPSH) necesaria al 120% PMR = 6.7 m. 2. El diámetro del rodete en el punto nominal = 560 mm. El máximo rodete en

la voluta = 590 mm. 5. Obtener las curvas características modificadas de las bombas; las pérdidas en el

cárcamo para el punto de funcionamiento son de 1.3 m.

118

a) Para una bomba de flujo mixto de 600 mm:

Caudal, m3/s Característica 0 0.5 0.72 1.2 1.25 1.43 Altura manométrica de la bomba, m Pérdidas en el cárcamo, m Altura manométrica modificada de la bomba, m

31.1

0

31.1

28.2 0.2

28.0

26.5 0.4

26.1

20.5 1.2

19.3

19.5 1.3

18.2

15.8 1.7

14.1

b) Para una bomba de flujo mixto de 500 mm:

Caudal, m3/s Característica 0 0.25 0.46 0.78 0.83 0.96 1.0

Altura manométrica de la bomba, m Pérdidas en el cárcamo, m Altura manométrica modificada de la bomba, m

26.4

0

26.4

23.5 0.1

23.4

22.6 0.4

22.2

20.1 1.1

19.0

19.5 1.3

18.2

16.5 1.7

14.8

14.9 1.9

13.0

Figura 6.10 Curva del sistema

119

6.7 EJEMPLO 6.7 Diseño de tubería evitando cavitación Seleccionar la tubería para un cárcamo de bombeo de agua con una longitud de transportación de 15 km. El flujo máximo es 0.4 m3/s. Solución: Una elección para el cárcamo de bombeo es la tubería de acero dúctil alineada con cemento y adecuada para una velocidad de 2.5 m/s, lo cual es lo suficientemente alta para minimizar el tamaño y costo de válvulas y otros y lo suficientemente bajo para evitar cavitación y pérdidas de carga Diámetro de la tubería para ν = 2 m/s: 0.5 m

25.1/2/5.2

4.6

==smsm

tabla

daselecciona

νν

(6.10)

2

2

17.025.1

213.0 mmrequeridaArea ==

Se eligen 0.45 m de tubería: A = 0.172 m2

smAQ /33.2

172.04.0

===ν (6.11)

Pérdida de carga por fricción: se usa la ecuación siguiente, en donde C = 120.

87.485.1

700,10 −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= D

CQh f (6.12)

( ) 87.485.1

468.0120

4.07.10 −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=fh mmh f 1000/3.11=

Si se comparan los cálculos con la Tabla 6.4, se observa que las pérdidas de carga son una función de Q o ν elevado a la 1.85. De aquí que

mmQ

Qhh

tabla

realtablafrealf 1000/2.11

344.04.05.8

85.185.1

4.64.6 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (6.13)

Cuando se toma el coeficiente C = 145, la pérdida de carga es 8.4 m/1000 m, la cual, en la longitud corta de la tubería en un cárcamo de bombeo, sólo sería alrededor de

120

0.060 m. A 11.3 m/1000 m, las pérdidas de carga sería sólo de 0.040 m más, lo cual es insignificante. Para el transporte principal, una velocidad cercana a 2 m/s parece ser económica cuando los costos de tubería, válvulas y coples, métodos de control y mecanismos, instalación, y energía son analizados por un periodo de 20 años. Usando la Tabla siguiente a 0.5 m la tubería cumpliría las condiciones.

Tabla 6.4 Tubería de acero dúctil Clase 53, Hazen-Williams C = 120 Espesor (mm) Interior Para v = 2 m/s Peso

Tamaño nominal

(mm)

Diáme- tro

exterior (mm)

Pared de

acero

Forro de

morte- ro

Diáme-tro

(mm) Área (m2)

Descarga, Q

(m3/s)

Pérdida de carga,

hf (m/1000

m)

Tube-ría

kg/m

75 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 750 900 1050 1200 1350

101 122 175 230 282 335 389 442 495 549 655 813 973

1130 1290 1450

7.87 8.13 8.64 9.14 9.65 10.2 10.7 10.9 11.2 11.4 11.9 13.0 14.7 16.5 18.3 20.6

1.59 1.59 1.59 1.59 1.59 1.59 2.38 2.38 2.38 2.38 2.38 3.18 3.18 3.18 3.18 3.18

82 102 155 208 259 312 363 415 468 521 627 781 937

1090 1250 1550

5.24E-38.25E-31.88E-23.41E-25.29E-27.63E-21.03E-11.35E-11.72E-12.13E-13.08E-14.79E-16.90E-19.35E-11.22E+01.55E+0

1.05E-2 1.65E-2 3.76E-2 6.82E-2 1.06E-1 1.53E-1 2.06E-1 2.71E-1 3.44E-1 4.26E-1 6.17E-1 9.57E-1 1.38E+0 1.87E+0 2.44E+0 3.09E+0

66 50 31 22 17 14 12 9.8 8.5 7.5 6.1 4.7 3.8 3.2 2.7 2.4

16.2 20.6 31.9 44.8 58.3 73.3 89.5 104 120 136 170 229 313 408 517 652

De acuerdo con el fabricante, el espesor de la pared es de 9.1 mm. Se asume que el cemento sea de doble espesor. Los valores del diámetro exterior en la Tabla anterior son correctos para todas las clases de tuberías de acero, así que Diámetro interior = 549 – 2(9.1 + 2 x 2.38) = 521.28 mm = 0.521 m

( ) mmh f 1000/69.6521.0120

4.0700,10 87.485.1

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= −

Para 15 kilómetros de tubería, las pérdidas de carga total a C = 120 es 6.7 x 15 = 100 m, contra 0.0828 m a C = 145. La diferencia en las pérdidas de carga y el uso de energía es importante y digno de estudiar cuidadosamente.

121

6.8 EJEMPLO 6.8 Determinación de la altura de succión permisible de una bomba. Determinar la altura máxima de succión permisible para una bomba que tiene una constante de cavitación de 0.3 cuando la altura manométrica total es de 40 m. Suponer que la bomba funciona a nivel del mar y a una temperatura de 25 ºC. Solución: 1. Nótese que haciendo NPSHR = NPSHA, la ecuación 6.14 puede escribirse como la ecuación 6.15.

teconsH

NPSH

t

R tan==σ (6.14)

t

vaporatmsmsfss

H

PPg

Vhhh

γγσ−+−∑−−

=2

2

(6.15)

Como Hs puede sustituir a los cuatro primeros términos del numerador, la ecuación resultante es:

t

vaporatms

H

PPH

γγσ++

= (6.16)

Entonces

t

vaporatm

ts H

PP

HH γγσ+

−= γγ

σ vaporatmts

PPHH +−=

2. Introduciendo los valores conocidos y resolviendo para Hs: σ = 0.3 Ht = 40 m Patm = 101.3 kN/m2 a 25 ºC Pvapor = 3.17 kN/m2 a 25 ºC γ = 9.78 kN/m3 a 25 ºC

mmmmkNmkN

mkNmkNmH s 0.20.100.12

/78.9/17.3

/78.9/3.101)40(3.0 3

2

3

2

=−=+−×=

122

Como el valor de Hs es positivo, la altura existente en la boquilla de entrada respecto al eje del rodete de la bomba debe de ser de 2 m. Por tanto, el eje del rodete debe situarse a un mínimo de 2 m por debajo del nivel del agua en el pozo de succión.

123

BIBLIOGRAFÍA

Buzzi R. “Chemical hazards at water and wastewater treatment plants”, ed. Lewis, pp. 140, USA. 1992. CEPIS (Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente., “Manual de Disposición de aguas residuales, origen, descarga, tratamiento y análisis de las aguas residuales, Tomo I y II, Lima, Perú 1991. Chairman, J. E., “Design of Wastewater and Stormwater Pumping Stations” Manual of Practice No. FD-4 Facilities Development, Water Pollution Control Federation, pp. 152, USA, 1981. DIPRA, “Handbook of Ductile Iron Pipe”, 6th ed., Ductile Iron Pipe Research Association, Birmingham, AL (1984). HERNÁNDEZ, M. A., “Depuración de aguas residuales”, Servicio de publicaciones de la Escuela de Ingenieros de caminos de Madrid (UPM), pp. 987., España, 1996. METCALF AND EDDY., “Ingeniería Sanitaria, redes de alcantarillado y bombeo de aguas residuales”, Ed. Labor S.A., pp. 446., España, 1985. PROSSER M. J., “The hydraulic design of pump sumps and intakes”, British Hydromechanics research association, pp. 44., London PÜRSCHEL W. “El transporte y la distribución del agua”, Tratado General del Agua y su Distribución, Tomo 4, Ed. Urmo, pp. 217, España, 1978. SANKS, R. L. “PUMPING STATION DESIGN”, Ed. Butterworth-Heinemann, pp. 828, USA, 1989. VALIRON F, AND TABUCHI J. P., “Maitrise de la pollution urbane, par temps de pluie”, Ed. Tec and doc- Lavoisier., pp. 564, Paris, 1992. VELASCO, S. O., “Proyectos de plantas de bombeo”, Subsecretaría de Construcción, Secretaría de Recursos Hidráulicos., pp. 183. México, 1976. VIESSMAN, W. AND HAMMER M., “Water supply and pollution control”, Harper Collins College Publishers, pp. 860, New York, 1993.

124

Tabla de conversión de unidades de medida al Sistema Internacional de Unidades (SI)

OTROS SISTEMAS DE UNIDADES

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) SE CONVIERTE A UNIDAD SÍMBOLO MULTIPLICADO

POR UNIDAD SÍMBOLO LONGITUD

Pie pie, ft.,‘ 0.3048 metro m Pulgada plg., in, “ 25.4 milímetro mm

PRESIÓN/ ESFUERZO

Kilogramo fuerza/cm2 kgf/cm2 98,066.5 Pascal Pa

Libra/pulgada2 lb/ plg2 ,PSI 6,894.76 Pascal Pa Atmósfera atm 98,066.5 Pascal Pa

metro de agua m H2O (mca) 9,806.65 Pascal Pa Mm de mercurio mm Hg 133.322 Pascal Pa

Bar bar 100,000 Pascal Pa FUERZA/ PESO Kilogramo fuerza kgf 9.8066 Newton N

MASA Libra lb 0.453592 kilogramo kg Onza oz 28.30 gramo g PESO

VOLUMÉTRICO

Kilogramo fuerza/m3 kgf/m3 9.8066 N/m3 N/m3

Libra /ft3 lb/ft3 157.18085 N/m3 N/m3 POTENCIA Caballo de potencia,

Horse Power

CP, HP

745.699

Watt

W

Caballo de vapor CV 735 Watt W VISCOSIDAD

DINÁMICA

Poise μ 0.01 Mili Pascal segundo mPa.s

VISCOSIDAD CINEMÁTICA

Viscosidad cinemática ν 1 Stoke m2/s (St)

ENERGÍA/ CANTIDAD DE CALOR

Caloría cal 4.1868 Joule J Unidad térmica británica BTU 1,055.06 Joule J

TEMPERATURA Grado Celsius °C tk=tc + 273.15 Grado Kelvin K

Nota: El valor de la aceleración de la gravedad aceptado internacionalmente es de 9.80665 m/s2