Diseño de Carcamos de Bombeo Para Alcantarillado Funcional e Hidraulico

7/23/2019 Diseño de Carcamos de Bombeo Para Alcantarillado Funcional e Hidraulico

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Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

CÁRCAMOS DE BOMBEO PARA ALCANTARILLADO, FUNCIONAL EHIDRAULICO

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 lafuente.

Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje ySaneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la ComisiónNacional del Agua.

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.

Edición 2007ISBN: 978-968-817-880-5

Autor: Comisión Nacional del AguaInsurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El BajoC.P. 04340, Coyoacán, México, D.F.Tel. (55) 5174-4000www.cna.gob.mx

Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos NaturalesBoulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña,C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.

Impreso en MéxicoDistribución gratuita. Prohibida su venta.



Comisión Nacional del Agua

Ing. José Luis Luege TamargoDirector General

Ing. Marco Anton io Velázquez HolguínCoordinador de Asesores de la Dirección GeneralIng. Raúl Alberto Navarro GarzaSubdirector General de AdministraciónLic. Roberto Anaya MorenoSubdirector General de Administración del AguaIng. José Ramón Ardavín ItuarteSubdirector General de Agua Potable, Drenaje y SaneamientoIng. Sergio Soto PrianteSubdirector General de Infraestructura HidroagrícolaLic. Jesús Becerra Pedrote

Subdirector General JurídicoIng. José Antonio Rodríguez TiradoSubdirector General de ProgramaciónDr. Felipe Ignacio Arreguín CortésSubdirector General Técnico

Lic. René Francisco Bolio HalloranCoordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de CuencaM.C.C. Heidi Storsberg MontesCoordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del AguaLic. Mario A lberto Rodríguez Pérez

Coordinador General de Revisión y Liquidación FiscalDr. Michel Rosengaus MoshinskyCoordinador General del Servicio Meteorológico Nacional

C. Rafael Reyes GuerraTitular 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 NormalizaciónLa Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el

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

Dr. Velitchko G. TzatchkovM. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez



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CONTENIDOPágina

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 DEBOMBEO ..................................................................................................................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 deagua 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 sistemasde 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 cotainferior a otra superior, con el propósito de hacer que el agua posteriormente llegue asu destino por gravedad. Así mismo, los cárcamos son pieza fundamental paramitigar las inundaciones que ocurren en nuestro país en relación con el drenajesanitario y pluvial.

Puesto que el objetivo básico de un cárcamo es elevar el agua, estos se componenpor cámaras, bombas y equipos auxiliares.

Los cárcamos de bombeo consisten básicamente de dos componentes, la estructurapara interceptar y contener el agua donde se homogeniza la carga de bombeo y seencuentran el equipo complementario, y otra que sirve para proporcionar la energíanecesaria para elevar el agua acumulada y que constituye el equipo de bombeo. Eldiseño de los primeros y la selección de los segundos son básicos para el correctofuncionamiento de los cárcamos.

Cabe señalar que, en principio, los cárcamos de bombeo deben ser concebidoscomo una excepción y no la regla en los sistemas de alcantarillado, dado quedificultan la operación y la tornan más costosa en comparación con los sistemas queoperan por gravedad. Sin embargo, se debe reconocer como indispensable paravencer los tramos contra pendiente o mover caudales en terrenos planos. Enconsecuencia, los cárcamos de bombeo, al igual que su tamaño y ubicación, debeatender a criterios tanto técnicos como económicos. Adicionalmente se deberecordar que en todo momento se bombea agua residual y/o pluvial la cual confrecuencia contiene sólidos y diversos contaminantes que ocasionan problemasadicionales de operación.

En este libro se tratará únicamente el caso de las aguas residuales domésticasmunicipales y pluviales solas o combinadas.

Este Libro esta pensado en ese contexto y es útil para diseñar adecuadamentecárcamos de bombeo y para resolver problemas de funcionamiento.

Los aspectos fundamentales de los cárcamos como su clasificación, consideracionesnecesarias para su selección y características generales de los cárcamosconvencionales y prefabricados, así como las características de construcción de losmismos y los problemas ocasionados por el manejo del agua residual, se presentanen 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 unaalta 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 colocacióndentro del cárcamo, así como las condiciones generales para su adecuadaoperación, así mismo se presentan las recomendaciones necesarias para evaluar ydar mantenimiento a los equipos de bombeo.

El capítulo seis hace uso de la información descrita en los capítulos previos paradesarrollar un ejemplo práctico de diseño, construcción y funcionamiento.

OBJETIVO

Complementar el Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, con laelaboración del libro: “Cárcamos de bombeo para alcantarillado funcional ehidráulico”, en el cual se establezcan los criterios fundamentales para proyectar ydiseñar adecuadamente cárcamos de bombeo que manejen aguas residuales opluviales, 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 porgravedad 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 dostipos de cárcamos (prefabricados y convencionales).

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

Capacidad m3

/s Clases/tipoPrefabricado

< 0.02 Eyectores neumáticos0.006 - 0.03 Cámara de succión0.006 - >0.1 Cámara seca

Convencional0.02 - 0.09 Pequeño0.06 - 0.65 Mediano

> 0.65 GrandeFuente: Metcalf and Eddy 1985.

La capacidad de los cárcamos convencionales oscilan entre 0.02 y >0.65 m3/s. Seemplean cuando: 1) las condiciones locales impiden el uso de cárcamosprefabricados, 2) la magnitud o la variación del caudal es tal que excede la capacidadmanejada por las instalaciones prefabricadas. En otras palabras, cada uno esdiseñado 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 losequipos y componentes ya montados. En los últimos años, las instalacionesprefabricadas 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. Enla primera se colocan los equipos de bombeo, en tanto que en la segunda sealmacena el agua. Esta combinación conforma un cárcamo seco. Para pequeñosvolúmenes, se usan cárcamos húmedos en los cuales el equipo de bombeo estásumergido 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 desucción donde se alberga las bombas, la tubería de succión e impulsión y suscorrespondientes válvulas. A lo largo de la pared que separa las cámaras hay uncanal de drenaje que recoge y transporta las fugas que puedan producirse, así comoel 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 unacámara 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 lasuperficie del terreno y el fondo de la cámara seca, donde se colocan los motoresque accionan las bombas. En cárcamos poco profundos, los motores se colocansobre el piso de la cámara, la cual debe ser diseñada lo suficientemente separadaspara 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 residualantes de su bombeo. Su volumen depende del tipo de bombas que se emplean, yasean de velocidad constante o variable. Si se eligen bombas de velocidad constante,

el volumen debe ser tal que evite ciclos de funcionamiento demasiado cortos, puesello provoca una frecuencia elevada de paros y arranques.

Otras funciones de la cámara de succión son conseguir la suficiente sumergencía delos ductos de la succión de las bombas para evitar la formación de vórtices así comoamortiguar la transición del caudal desde la llegada del agua a las tuberías desucción de las bombas.

En la Figura 2.3 se muestra una cámara de succión grande que consta de cuatrobombas y espacio para una quinta. Como puede verse, la cámara se divide en trescompartimentos, cada uno de los cuales incluye una rejilla de limpieza mecánicaindependiente.

Básicamente la cámara de succión consiste de un pozo de registro de dimensionessuperiores a las normales. El nivel mínimo del agua se debe situar a una cota tal queno permita la entrada de aire a la tubería de succión por la formación de vórtices. Laparte superior de la voluta se debe ubicar por debajo del nivel mínimo del agua paraeliminar la posibilidad de que el aire entre en la bomba.

Cada bomba debe contar con una tubería de succión independiente, con el objeto depoder sacarla fuera de servicio para su mantenimiento. Por ello, se instalan válvulasde aislamiento entre la bomba, la cámara de succión, así como a continuación de laválvula de retención en la descarga. Estas válvulas normalmente son del tipo deresorte, ya que el espacio disponible en el cárcamo es limitado. En los cárcamosgrandes la extracción de los equipos se realiza con grúas viajeras, mientras que enlos pequeños basta con algún tipo de gancho situado sobre los componentes de grantamaño. Las puertas deben ser de tamaño suficiente para permitir la extracción delos equipos, así como las trampas dispuestas en el suelo para la extracción deelementos situados en niveles inferiores



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

ab



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Cárcamos de bombeo con bombas sumergibles

Los cárcamos de bombeo con bombas sumergibles se encuentran disponibles en elmercado desde hace muchos años, aunque su uso en redes de alcantarillado habíasido limitado por problemas de mantenimiento. Su uso se ha incrementado al

incorporar un sistema de fijación que permite extraer las bombas sin afectar a latubería de descarga, mediante guías. En la Figura 2.4 se muestra una instalacióntípica.

Los cárcamos de este tipo existen prefabricados en placa de acero. Las válvulaspueden instalarse en la misma cámara de bombeo, pero el mantenimiento es mássencillo cuando se colocan en una cámara independiente como se muestra en laFigura 2.4.

Figura 2.4 Cárcamo de bombeo con bombas sumergibles

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



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Tabla 2.2 Características generales de los cárcamos de bombeoconvencionales y prefabricados

Características Función normal Descripción PrefabricadoObra civil Proporciona las

condiciones paraalmacenar el agua

antes de serbombeada

Estructura de concreto reforzadocon superestructura demampostería, concreto

reforzado o páneles de maderao metálicos.

Acero o fibra de vidrio.

Cámara desucción

Recibe, almacena yhomogeniza el agua

residual antes debombearla. Da la

carga necesaria pararealizar el bombeosin que entre aire al

equipo

A menudo cuentan con rejillas ydesmenuzadores para proteger

a las bombas. El acceso a lacámara de succión debe serdirecto desde el exterior por

medio de una escalera.

Con frecuencia seemplean como

cámaras de succiónpozos de registro de

concreto en cárcamospequeños

Cámara seca Almacena a lasbombas

Los motores y páneles decontrol se instalan en el pisointermedio o en el superior, a

nivel del terreno.

Los motores suelencolocarse en la cámaraseca junto con el panel

de control;generalmente, hay queinstalar un

deshumificador paraproteger este últimocontra la corrosión.

Instrumentación Incluye controlesautomáticos y

manuales de lasbombas, las alarmas

de nivel máximo ymínimo y la medición

del caudal

El panel de control de losmotores se coloca a nivel delterreno en cárcamos de gran

tamaño

El panel de control secoloca en la cámara

seca

Equipo eléctrico Constituyen elsistema deaccionamientocomún de las

bombas

Los motores se colocan en elpiso intermedio de la cámaraseca o en el que está a nivel del

terreno.

Los motores suelenacoplarse directamentea las bombas y el

conjunto se coloca enla cámara seca

Fuente de energía Suministra la energíanecesaria para elfuncionamiento de

los equipos eléctricos

A veces se emplean motoresduales en cárcamos grandes

para accionar las bombas

Por seguridad, el cárcamo debombeo debe contar con unsuministro de energía por

duplicado. Ello se consigue con

dos líneas eléctricas, o bien, conuna línea y uno o más gruposelectrógenos instalados en el

cárcamo

Generalmente, sólohay una línea de

suministro eléctrico,aunque puede

instalarse un grupoelectrógeno 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 ventanaspara reducir el riesgo de vandalismo. La planta debe situarse a una cota superior alnivel 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. Sinembargo, los pequeños reciben una inspección diaria del funcionamiento y engrasede los equipos instalados. Los cárcamos de mayor importancia, especialmente losque sirven a grandes zonas de ciudades, suelen tener operadores que los atiendenpermanentemente, aunque el número de los mismos normalmente es pequeño. En lamayoría de los casos, es suficiente disponer de una o dos personas para laoperación.

Muchos problemas de funcionamiento de las bombas resultan de un diseñoinadecuado del cárcamo de bombeo. Entre los principales se pueden citar laformación de turbulencias que afectan a la altura de succión y al rendimiento de lasbombas.

2.3 DISEÑO DE LAS CÁMARAS DE SUCCIÓN

En los cárcamos prefabricados, la zona de ubicación debe adaptarse a ellos, loscárcamos convencionales tienen un diseño específico para cada situación.

El cárcamo en si debe constar de: entradas y salidas para el personal, entradas ysalidas para los equipos, zonas de reparaciones en el sitio de bombas motores,iluminación, ventilación y suelos adecuados. Las paredes y pisos deberán garantizarsu impermeabilidad.

El cárcamo deberá disponer de grúas viajeras y polipastos para mover equipos, asícomo los elementos de medición y control necesarios.

Debe haber dispositivos antivibratorios y aislamientos sonoros de las bombas yelectromotores. Las placas antivibratorias y la presencia de elementos que eviten sutransmisión, así como el empleo de trampas acústicas se consideranimprescindibles.

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 llegadaproveniente del alcantarillado. Los gases del agua residual así como los materialesinflamables que pueda contener la misma deben ser venteados al exterior, por lo queun diseño incorrecto puede causar explosiones. Para reducir este riesgo, todas lasinstalaciones eléctricas deben ser a prueba de explosiones.



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Es una buena práctica, y muchas veces se requiere por normatividad, dividir lacámara de succión en dos o más compartimentos, de manera que pueda dejarsefuera de servicio una parte del cárcamo para mantenimiento. Debido al tamaño de lacámara de succión, el flujo no siempre es turbulento, por lo que suele depositarsearenas 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 compuertapara aislarse y permitir derivar el caudal a otros compartimentos cuando se deseedejarlo fuera de servicio. No obstante, los compartimentos deben estarinterconectados por medio de compuertas a fin de contar con la totalidad del volumende almacenamiento para evitar una excesiva frecuencia de arranques y paros de lasbombas. Si la cámara de succión está cubierta, cada compartimiento debe disponerde un acceso independiente.

En la Figura 2.2 se muestra un cárcamo pequeño que incluye un desmenuzador ydos cámaras de bombeo. Se cuenta con dos bombas y espacio para una tercera, elcual se ha dispuesto de forma que no cree una zona muerta dentro de la cámara desucción. 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 aguaresidual. Si ello no fuera así, se crearía una zona muerta en un extremo de la cámaradonde se depositarían los sólidos, dando origen a olores y problemas.

La geometría de la cámara es importante para minimizar la deposición de sólidos. Laplantilla es horizontal hasta un punto situado a 0.3 – 0.4 m más allá del borde exteriorde la campana de la tubería de succión y, a continuación debe ascender hacia lapared opuesta con una pendiente igual o superior a 1:1 (Figura 2.2).

Siempre es recomendable instalar el bombeo, después del pretratamiento del aguaresidual.

2.4 CONSTRUCCIÓN

La estructura de los cárcamos de bombeo debe ser de concreto reforzado. Lasparedes exteriores que quedan enterradas así como las interiores que se encuentranpor debajo del nivel máximo del agua deben ser tratadas con un revestimiento queevite filtraciones. La estructura exterior debe construirse a prueba de incendio. Tantola cámara húmeda como la seca deben estar aisladas entre sí, lo cual exige que lasparedes de separación sean aisladas al vapor, y las juntas de todas las tuberías ypasamuros aisladas al gas.

Las secciones más empleadas son las cuadradas y rectangulares ya que permitenuna mejor utilización del espacio y una fácil separación entre la cámara de bombeo yla seca. Sin embargo, en cárcamos profundos el empleo de secciones circularesconviene, 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 lascondiciones físicas del lugar y su situación con respecto a las obras de toma ydescarga. 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 elcosto de la estructura, ya que no es igual excavar en un terreno rocoso que en unaarcilla frágil. Se puede aseverar que para una misma profundidad los problemas deademe 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 problemasmás importantes asociados al funcionamiento de un cárcamo de bombeo de aguaresidual y son: 1) la corrosión de las bombas e instalaciones complementarias, y 2) lapresencia de gases malolientes, tóxicos y en algunos casos explosivos. Ambosproblemas se relacionan con la producción de sulfuro de hidrógeno (H

2S), 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 desulfatos (SO4

2-), sulfitos, tiosulfatos, azufre libre y otros compuestos donde existeazufre.

La reducción del azufre (orgánico e inorgánico) a sulfuro puede ser efectuada pordiversos microorganismos para obtener su energía y mantener su crecimientocelular. De hecho, muchos asimilan el azufre inorgánico en forma de sulfato, sulfito ytiosulfato y lo reducen a sulfuro en su protoplasma, donde se acumula en forma dederivados orgánicos que contienen azufre, como proteínas y aminoácidos (porejemplo cisteina, metionina y cistina).

En condiciones anóxicas (difieren de las anaerobias por la ausencia de oxígenodisuelto o combinado), dos géneros de bacterias de la especie Desulfovibrio,comúnmente denominadas reductoras de sulfatos, pueden convertir el sulfato ensulfito. Los miembros principales de esta especie son Desulfovibrio desulfuricans,Desulfovibrio vulgaris y Desulfovibrio sal signes. La reducción suele ir acompañadade 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 serepresenta por la siguiente reacción:

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

Cuando los organismos que intervienen contienen la enzima hidrogenasa, puededarse la siguiente reacción que es la responsable de la corrosión de las tuberías dehierro:



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4H2 + SO42- → 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 deaguas residuales contienen bacterias capaces de completar estas reacciones, asícomo materia orgánica e iones sulfatos, siempre existen las condiciones paraproducir sulfuro de hidrógeno, aunque no siempre existe producción significativa deH2S, debido a la intervención de fenómenos de precipitación, oxidación yvolatilización.

El sulfuro de hidrógeno es un gas presente tanto en las alcantarillas como en loscárcamos de bombeo en forma disuelta en agua residual. El sulfuro de hidrógenopuede ser oxidado a ácido sulfúrico por la acción de bacterias, lo cual da lugar aimportantes problemas de corrosión. Tiene un olor de huevos podridos. El gas estóxico para los seres humanos y ha causado la muerte de muchos operadores demantenimiento.

La cantidad de sulfuro de hidrógeno disuelto aumenta al disminuir el pH. Una vezdisuelto se escapa a la atmósfera de tuberías o cárcamos y se deposita en lasparedes situadas por encima de la superficie del líquido. Puesto que, normalmente,estas paredes están húmedas debido a las condensaciones, se forma una soluciónácida que es muy activa.

El sulfuro de hidrógeno retenido en esas zonas húmedas es transformado en ácidosulfúrico 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. Sinembargo, 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 elcemento del concreto y, de forma similar con el hierro de los conductos de estematerial. Si la tasa de producción de ácido sulfúrico es baja, prácticamente la mayorparte del mismo reacciona con el cemento, dando lugar a un material pastoso quequeda muy pobremente ligado al material inerte en la fabricación del conducto. Si latasa de producción de ácido sulfúrico es elevada, gran parte del mismo no podrádifundirse a través de la masa pastosa citada y, consecuentemente, será arrastradode 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.



15

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 elsulfuro de hidrógeno en tuberías, cárcamos de bombeo y plantas de tratamiento estan 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 suproducción 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 corrosioneselevadas y no pueda eliminarse utilizando los métodos de control previamentemencionados, debe usarse revestimientos protectores que sean eficaces. Losresultados obtenidos en la utilización de revestimientos a base de pinturasbituminosas o de resinas epoxy han sido muy variables; el ácido puede difundirse através de los agujeros del sistema de fijación del revestimiento y atacar el cementode las tuberías de concreto. En tuberías de concreto de gran diámetro se han

utilizado satisfactoriamente unas láminas de cloruro de polivinilo con unos nervios enforma 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 dehidrógeno. La concentración mínima que produce muerte es de 300 ppm, mientrasque 3000 ppm suponen una muerte casi instantánea. Los gases desprovistos deolores 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 aguasresiduales, sin embargo para la mayoría de los desechos municipales, los polímerosproveen una operación más económica.

En condiciones aerobias, numerosos compuestos orgánicos pueden convertirse enotros más simples, dióxido de carbono y diversos compuestos orgánicos oxidados.La presencia de dióxido de carbono tiende a disminuir el pH. En condicionesanaerobias, lo más posible es que los compuestos orgánicos complejos del agua



16

residual se transformen en dióxido de carbono, metano, compuestos orgánicos mássencillos y ácidos. Tanto el dióxido de carbono como los ácidos producidos tienden adisminuir el pH.

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

exposiciónConcentración 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 eirritación respiratoria,

dolores de cabeza

6 h, trabajo manualpesado 1 h, trabajo

manual pesado

Alrededor de 50

Alrededor de 100

Ceguera temporal

Límite máximo sinconsecuencias serias

a Adaptado de Metcalf and Eddy 1985.

2.6.2 Metano

El gas metano es el principal subproducto de la descomposición de la materiaorgánica en aguas residuales. Es incoloro, inodoro, hidrocarburo de alto valorcalorífico. Normalmente no se encuentran grandes cantidades en aguas residualesno tratadas debido a que aún pequeñas cantidades de oxígeno son tóxicas a losorganismos responsables de la producción de metano.

Por si mismo, el metano no es tóxico. Debido a que el cerebro es dependiente deldióxido 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 almetano sea especialmente peligrosa. Si un trabajador ha estado en contacto con elmetano, los primeros auxilios son muy similares a los que se dan al contacto con elCO2; remover y dar respiración a la persona. Debe estar en observación por unapersona calificada en salud. Debido a que el metano es más ligero que el aire, esimportante que el aire se haga circular creando un ambiente fresco.

Las bacterias responsables de la conversión de materia orgánica a gas metano sonestrictamente anaerobias llamadas metanogénicas. Las bacterias más importantesde este grupo son las que utilizan el hidrógeno y el ácido acético. El metano esinsoluble y su salida de la solución representa estabilización residual real.

Es importante notar que las bacterias de metano pueden usar solamente un númerolimitado de sustratos por la formación de metano. Se sabe recientemente que estasbacterias 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 elrango de 6 a 10% una mezcla de metano-aire puede ser positivamente explosivo.



17

Las mezclas de metano y aire explotan violentamente y fácilmente. Aún una chispaeléctrica 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 seanecesario.



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 sevaría el caudal de bombeo de acuerdo con el agua residual que llega al cárcamo, elvolumen requerido es pequeño, siendo suficiente aquel que permita el cambio de lacapacidad de bombeo cuando se arranca o para una bomba antes de alcanzar elnivel definido para este. Normalmente, este tiempo suele ser inferior a un minuto.

En cambio las bombas de velocidad constante o de dos velocidades necesitanmayores volúmenes de almacenamiento para evitar ciclos demasiado cortos. Eltiempo entre arranques es función de los caudales de bombeo que entran alcárcamo. En bombas con motores de dos velocidades, el caudal de bombeo es ladiferencia entre el caudal correspondiente a cada velocidad. El tiempo entrearranques para motores de potencia inferior a 15 kW puede reducirse hasta 10minutos 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 deser mayor a 15 minutos. Para potencias superiores a 75 kW pero inferiores a 200kW, el tiempo entre arranques debe estar comprendido entre 20 y 30 minutos. Paramotores mayores a 200 kW se recomienda consultar con el fabricante.

El volumen comprendido entre los puntos de arranque y paro de una sola bomba oun solo escalón de control de velocidad para bombas de dos velocidades, está dadopor:

4

qV

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 unintervalo de control), min.

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

El tiempo mínimo del ciclo de funcionamiento de una sola bomba ocurre cuando elcaudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba. Enestas condiciones, la duración en funcionamiento y paro son iguales. Para caudalesde entrada mayores, el tiempo de funcionamiento es mayor y el de paro menor,mientras que para caudales de entrada menores, ocurre lo contrario. En amboscasos, 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 grandepara un cárcamo que conste de dos bombas iguales, una de las cuales está dereserva, se puede reducir el volumen a la mitad instalando controladores automáticos

que arranque y pare las bombas en forma alterna y reduzca el valor deθ

a la mitaddel necesario para una sola bomba.

3.2 VOLUMEN MÁXIMO

En general siempre se establece un tiempo de retención máximo en el cárcamo paraminimizar el desarrollo de condiciones sépticas y producción de olores que conducea su vez a un volumen máximo. A menudo, este se establece en 10 min, para elcaudal medio del proyecto. Desgraciadamente, este valor con frecuencia secontrapone con la necesidad de disponer de volumen adecuado para evitar ciclos defuncionamiento de las bombas demasiado cortos. Por esto se instalan varias bombaso bombas de dos velocidades para reducir el incremento del caudal de bombeo y, enconsecuencia, el volumen necesario. Además, se puede minimizar la producción deolores si el nivel mínimo del agua en el cárcamo se encuentra por encima de la zonacuyo fondo tiene una pendiente, lo cual se logra al hacer que dicho nivel concuerdecon la primera bomba dentro de la secuencia de bombeo.

El problema más frecuente es obtener suficiente volumen de bombeo a un costorazonable. En los cárcamos importantes que dan servicio a grandes colectores, sepuede conseguir un volumen efectivo adicional utilizando la capacidad dealmacenamiento de los colectores. Si el punto de arranque de las bombas en elcárcamo de bombeo está situado por debajo de el piso de los colectores, no esposible utilizar la capacidad de almacenamiento de éstos. Sin embargo, cuando seencuentra por encima, se pueden obtener las curvas del contraflujo y calcular elvolumen de almacenamiento efectivo en los colectores entre los diversos escalonesde control. Este volumen, a menudo representa el 50% del total. Este sistema escomúnmente utilizado en cárcamos de bombeo que incorporan rejillas de limpiezaautomática.

3.3 DIMENSIONES DEL SISTEMA

La función del depósito del cual se va a tomar agua, es proporcionar una distribucióndel flujo hacia la campana de succión. Una distribución desigual se caracteriza porfuertes corrientes locales que favorecen la formación de torbellinos y con bajosvalores de profundidad que pueden introducir aire a la bomba, reduciendo sucapacidad y produciendo mucho ruido.

El nivel adecuado de profundidad depende, principalmente, del acceso a la toma ydel tamaño de la bomba. Los fabricantes de bombas, generalmente proporcionaninformación sobre los problemas específicos, cuando el diseño del cárcamo es enforma preliminar, y si este diseño contiene todos los dibujos necesarios para lainstalación que proporcionen las limitaciones físicas del lugar.



20

Un análisis completo del efecto de la forma de los depósitos se logra con estudios demodelos físicos a escala. Sin embargo, se pueden hacer algunas recomendaciones:

• El acceso ideal, es un canal recto que llegue directamente hacia la bomba; lascurvas y obstrucciones son perjudiciales pues causan corrientes y remolinos. La

campana de succión debe estar localizada cerca de la pared trasera o posterior yno 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 debeconstruir una celdilla alrededor de cada una o poner paletas móviles bajo labomba de paro para desviar el agua hacia arriba. La forma de un pozo desucción debe ser probado para verificar estos requisitos.

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

• La Figura 3.1 muestra cómo construir un pozo de succión con las medidascorrectas. Los valores ahí presentados provienen de promedios obtenidos de

diferentes clases y tipos de bombas y se refieren a una línea entera develocidades específicas, por lo que no deben ser tomados como valoresabsolutos, sino únicamente, como guías.

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

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

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



21

Figura 3.1 Dimensiones del cárcamo con relación al flujo

189

0 . 1

3

0 . 2

5

0 . 2

3

0 . 2

0

0 . 1

8

0 . 1

5

0 . 3

2

0 . 3

8

0 . 4

4

0 . 5

1

0 . 6

3

0 . 7

6

1 . 0

2

1 . 2

7

1 . 5

2

1 . 7

8

2 . 0

3

2 . 5

4

3 . 1

7

6 . 3

5

5 . 0

8

3 . 8

1

1 2 . 7

0

7 . 6

2

2 5 . 4

0

1 7 . 7

8

1 0 . 1

6

189000

15750

13600

9450

7875

6300567050404410

3780

3150

2520

1890

1575

1260

945

787.5787.5

630567504441

378

315

252

Dimensiones recomendadas en cm

l

/ s p o r b o m b a

Fig 3.1

A ( V

c = 0

. 6 m

/ s ) A

H Y S B C

A

Para cárc

Pa

D

H

C



22

• La dimensión “H” es el valor mínimo y está basada en el nivel normal del agua enla campana de succión de la bomba, tomando en consideración las pérdidas porfricción a través de la pichancha, rejilla y acceso a la toma. Esta dimensiónpuede 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 laentrada de la campana de succión. La bomba debe estar sumergida un pocamás de este último nivel mencionado ya que la abertura del impulsor está a ciertadistancia arriba de la entrada de la campana de succión, posiblemente de 0.9 a1.2 metros.

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

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

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

Todas las condiciones anteriores también son aplicables cuando se trata deinstalaciones múltiples de bombas, en las cuales “S” viene a ser el ancho de unacelda individual de una bomba, o sea, la distancia de centro entre dos bombas, si nose usan muros de división, adicional a lo mencionado, se debe considerar:

• Para el diseño del cárcamo se recomienda en primer lugar, que el agua lleguecon baja velocidad, flujo recto y uniforme (Figura 3.2a). simultáneamente a todaslas 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 tubode alimentación (Figura 3.2c).

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



23

• Debe acoplarse un tubo relativamente pequeño para alimentar una bomba degran tamaño dentro del cárcamo, usando una sección cónica de diámetrogradualmente menor a mayor. El ángulo deberá ser lo más grande posible, depreferencia superior a 45 grados; con este arreglo, las velocidades deberán sermenores 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 elcaudal sufrirá un cambio de dirección importante para llegar a la mayoría de lasbombas. Centrar las bombas en el cárcamo produce grandes áreas deturbulencia atrás de las mismas, lo que afecta su operación.

• Un cambio brusco entre el tubo de entrada y el cárcamo se puede aceptar si sulongitud es igual o excede a los valores que se muestran (Figura 3.2d) siempre ycuando la velocidad del agua sea <3 m/s. Si la relación W/P aumenta, lavelocidad 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 elcárcamo 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 detuberías (Figura 3.2e). Un tubo protector o una lumbrera que aloje la bomba juntocon un tubo de succión con entrada en “L” y orientado hacia la corriente, esadecuado para caudales hasta de 2.4 m/s. Si no se instala la entrada en formade “L”, la campana de la bomba deberá estar por lo menos a dos diámetrosverticales arriba de la parte superior del túnel y no suspendida dentro del flujo deltúnel, 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 esnecesario profundizar la excavación o conservar el nivel del agua a su mínimocuando se trate de un pozo vertical.

• Una alternativa para la Figura 3.2b, es establecer respiraderos en las paredeslaterales, partiendo del centro al punto más bajo del nivel mínimo del agua; estopermitirá desalojar el flujo de las cámaras donde no existe el bombeo (Figura3.2f).



24

Figura 3.2 Cárcamo para varias bombas

s s

916 D

α

αmínimo 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

3

D

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

A

A

2

A

D

a) b) c)

D

L

D

WVp

P W/P 1.5 1.5 2.0 4.0 10.0

L 3D 6D 7D 10D 15D

V 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

DW = 5 diámetros o másV = 0.06 m/s o menos

L = Igual que al cuadro anterior S = 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 aun sistema de tuberías. La altura de una bomba es la distancia a la que puede elevarel 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 uncaudal dado es la altura del sistema.

El término altura expresa la distancia vertical entre la superficie libre de agual y unacota de referencia. Por ejemplo, si se conecta a una tubería a presión un tubo verticalde diámetro pequeño con el extremo superior abierto, la altura en la distancia mediaentre 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 debombeo son:

a) Altura geométrica de succión

La altura geométrica de succión, hs, es la diferencia de cotas existentes entre el niveldel líquido en la succión y el eje del rodete de la bomba. Cuando el nivel del líquidoen la succión está situado por debajo del eje del rodete, se trata de una elevación porsucción. Las bombas para aguas residuales se suelen instalar con una pequeñaaltura geométrica de succión positiva (succión en carga), tal como se muestra en laFigura 3.3, para evitar tener que incluir un dispositivo de cebado que podríaobturarse por los sólidos presentes en el agua residual, impidiendo el funcionamientode la bomba.

b) Altura geométrica de elevación

La altura geométrica de elevación, hd, es la diferencia de cotas existentes entre elnivel 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 dellíquido 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 fricciónque produce el flujo del agua a través de las tuberías del sistema, es la pérdida porfricción. Las pérdidas por fricción en la succión (h fs) e impulsión (hfd) se calculanmediante la fórmula de Darcy-Weisbach o la de Hazen-Williams.



26

Darcy-Weisbach52

28

gD

fLQh

f π

= (3.2)

Hazen-Williams54.0/1

87.485.1

85.17.10⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ =

DC

LQh f

(3.3)

donde:hf : Pérdida de carga, mf, C : Coeficiente de fricciónL : Longitud de la tubería, mV : Velocidad media, m/sD : Diámetro de la tubería, mg : 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 encualquier punto del sistema y está dada por:

g

V velocidad de Altura

2

2

= (3.4)

donde:V : Velocidad del líquido, m/sg: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.

Para determinar la altura en un punto dado del sistema, hay que añadir la altura develocidad a la lectura del manómetro.

f) Pérdidas de carga localizadas

La altura o carga de agua que debe suministrarse para vencer las pérdidas que seproducen en piezas especiales y válvulas se denomina pérdida de carga localizada osingular. Las pérdidas localizadas en la succión (hms) e impulsión (hmd) suelenestimarse como una fracción de la altura de velocidad utilizando la siguienteexpresión:

g

V K h

m2

2

= (3.5)



27

donde:hm: Pérdida de carga localizada, mK: Coeficiente de pérdida de carga.g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2

g) Altura manométrica totalLa altura manométrica total, Ht, es aquella contra la que trabaja la bomba durante sufuncionamiento. Su determinación se realiza a partir de la alturas geométricas desucción y elevación, las pérdidas por fricción, la altura de velocidad y las pérdidaslocalizadas. La expresión para el cálculo de la altura manométrica total de unabomba se calcula con la ecuación 3.6 (véase Figura 3.3).

g

V

g

V H H H sd

S Dt 22

22

−+−= (3.6)

md fd d D hhh H ∑++= (3.7)

g

V hhh H sms fssS

2

2

−∑−−= (3.8)

donde:H t: Altura manométrica total, mH D (HS): Altura de elevación (succión) medida en la boquilla de descarga

(succión) con referencia al eje del rodete de la bomba, mV d (V s): Velocidad en la boquilla de descarga (succión), /s

g : Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 hd (hs): Altura geométrica de elevación (succión), mhfd (hfs): Pérdida de carga por fricciónhmd (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 enmetros 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 dadapor la expresión

Ha = 10.33 m – (A + B + C + D) (3.9)

donde: A: Pérdidas en la tubería de succiónB: 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 a0.086 mm de columna de mercurio.

C: Pérdidas debidas a la temperaturaD: 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.

H s

V s2

2g

Vd2

2g

Vd2

2g

Descargade la bomba

hd

H o

hs

Pérdida enla entrada

h h + Σfd md

H t

Plano de referencias

Motor

Toma deaspiración

Bomba

h h + Σfs ms



29

Tabla 3.1 Pérdida de presión, según temperaturaTemperatura ºC 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Pérdida de presiónmetros 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 func ionamiento de las bombas

El caudal Q a elevar se calcula en función del volumen diario de agua por mover ydel tiempo de funcionamiento del grupo.

Para las instalaciones en funcionamiento teórico continuo por seguridad se consideraun tiempo de funcionamiento igual a 20 horas, pero con frecuencia se estima eltiempo de funcionamiento entre 8 y 12 horas. Cuando las bombas funcionan conmotores eléctricos se reduce el tiempo de funcionamiento, de modo que se puedanaprovechar las tarifas reducidas durante las horas de bajos caudales de agua.

Es obligatorio contar con dispositivos de cebado en las bombas centrífugas antes desu puesta en servicio. Cuando se quiera conseguir alturas manométricas elevadas espreciso emplear bombas multicelulares, conseguidas colando en serie varias bombascentrífugas. Por el contrario para grandes gastos y pequeñas alturas el acoplamientose hará en paralelo.

La reserva contra averías se establecerá con base en un equipo de reserva de igualcapacidad que el de trabajo, si la potencia instalada es inferior a 10 HP. Cuando lapotencia sea superior a 10 HP, se instalarán tres equipos, dos de trabajo y uno dereserva.

En poblaciones con crecimiento rápido, en los que el caudal es elevado, se instalanbombas suficientes para la mitad del caudal previsto y se ponen en reserva lasnecesarias para el máximo caudal, para que en su momento, se amplíe la instalaciónde trabajo al doble, quedando de reserva la misma. Los equipos de reserva podránestar accionados por motores de combustión interna o eléctricos, no siendoadmisibles los primeros cuando estén situados a profundidades superiores a 4.0 m, oen lugares de ventilación insuficiente.

3.4.2 Diámetro del conducto de impulsión

Teóricamente, el diámetro más económico debe basarse en los costos de energía debombeo junto con los de amortización de los de inversión correspondientes a latubería de impulsión y cárcamo de bombeo. En la práctica, la selección del diámetroviene gobernada normalmente, por la necesidad de mantener 1) una velocidadadecuada para el caudal mínimo que evite la deposición de sólidos o 2) unavelocidad 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 capacesde descargar los caudales deseados a las alturas manométricas necesarias según eldiámetro 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 lavelocidad para el caudal mínimo. En tales casos, lo más conveniente es elegir eltamaño más económico de la tubería que consiga velocidades de flujo adecuadaspara el intervalo total de caudales, actuales y futuros, y, a continuación, seleccionarlas bombas. Una vez efectuado este predimensionamiento, puede resultar que seanecesario emplear un diámetro mayor para reducir las pérdidas por fricción, demanera que pueda hacerse una selección más adecuada de las bombas. Cuando ladiferencia entre los caudales iniciales y futuros sea considerable, puede sernecesario instalar, en primera etapa, una tubería de impulsión de menor tamaño einstalar, más adelante, una segunda.

Las tuberías de impulsión suelen tener, por lo general, diámetros superiores a 200mm. En algunos casos pueden utilizarse tuberías de 150 mm en cárcamos debombeo pequeños y tuberías de impulsión de poca longitud y de 1000 mm encárcamos 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 caudalescorrespondientes. Las pérdidas por fricción en las tuberías de impulsión suelendeterminarse mediante la fórmula de Hazen-Williams. Se recomienda utilizar lossiguientes 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 deacero de diámetro igual o superior a 500 mm con revestimientobituminoso o mortero de cemento y para varios tipos de tuberías deplástico.

54.063.0849.0 S CRV = (3.10)donde:

V : V elocidad, m/sC: Coeficiente de rugosidadR : Radio hidráulico, mS: 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 sidodesarrollados basándose en que los sólidos no se depositan cuando la velocidad decirculación 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 unavelocidad 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 aparte de una zona dotada de red de alcantarillado en donde el caudal puede serbombeado de forma intermitente, las velocidades deseables en las tuberías deimpulsión 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 máximoo nada. En cárcamos pequeños que funcionan intermitentemente, los sólidos delagua 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 arrastrede los sólidos depositados.

En un cárcamo pequeño que conste de dos bombas, debe ser posible elfuncionamiento simultáneo de ambas, aún cuando sólo se precise una de ellas parabombear el caudal de proyecto. Si los caudales son demasiado pequeños paragarantizar 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 conjuntoproduzca la velocidad mínima deseada de 1.1 m/s. En este caso, las dos bombas sehacen funcionar simultáneamente mediante control manual una vez por semanadurante un tiempo suficientemente largo para limpiar la tubería.

Los cárcamos de este tipo de mayor tamaño pueden tener tres o cuatro bombasiguales, de las cuales una está de reserva. En un cárcamo de tres bombas, sepueden conseguir velocidades en la tubería de impulsión de aproximadamente 0.9 y1.5 m/s con una o dos bombas en funcionamiento, respectivamente. En estacionescon cuatro bombas se pueden tener velocidades del orden de 0.7, 1.2 y 1.7 m/s conuna, dos o tres bombas en funcionamiento, respectivamente. Estas velocidadestienen en cuenta la ligera reducción de la capacidad de las bombas que se producepor razón de las mayores pérdidas por fricción resultantes al aumentar los caudales.

En la siguiente Tabla se indican las capacidades necesarias de las bombas paramantener velocidades de 0.6 y 1.1 m/s en tuberías de impulsión de 150 a 300 mm dediámetro.



32

Tabla 3.2 Caudal de las bombas para mantener las velocidades mínimas en lastuberías de impuls ión

Caudal de la bomba, m3/sDiámetro de la tubería deimpulsión, mm V = 0.6 m/s V = 1.1 m/s

150

200250300

0.011

0.0200.0310.045

0.019

0.0350.0540.078

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 lavelocidad más económica, haciendo que la suma de los costos considerados seamínima.

Para cálculos de anteproyecto se utiliza la fórmula de Bresse

Q H D = (3.11)

donde:D: diámetro, m

Q: gasto, m3/sH: coeficiente cuyo valor más frecuente es 1.5

Para elegir el diámetro de la conducción de impulsión se considera los valorescomerciales más próximos, y se comparara los costos de amortización yfuncionamiento. Una cifra límite para considerar en la elección del diámetrocorresponde a aquella en que las pérdidas de carga son menores al 10% de la alturageométrica.

Cuando es preciso instalar conos de reducción para acoplar la sección de losconductos 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.



33

3.5 GOLPE DE ARIETE

En el caso de paro rápido de las bombas o de fallo del suministro eléctrico, tanto elcaudal como la velocidad en la tubería se encuentran inicialmente en estadopermanente. Si embargo, cuando se corta el suministro de energía al motor, la

bomba se desacelera rápidamente desde su velocidad de régimen hasta cero, dandolugar a una rápida disminución del caudal descargado a la tubería. Esta disminuciónorigina una onda de presión negativa (por debajo de la presión normal) que setraslada velozmente desde el cárcamo de bombeo a lo largo de la tubería deimpulsión hasta su extremo final, dando lugar a una deceleración del caudal deacuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton. Cuando la onda de presiónnegativa alcanza el extremo final de la tubería de impulsión, sufre una reflexión quela hace desplazarse en forma de onda de presión positiva hasta el cárcamo debombeo, decelerando adicionalmente el flujo durante su recorrido.

Cuando la onda de presión positiva alcanza el cárcamo de bombeo, se completa unciclo de desplazamiento y la onda es reflejada de nuevo produciéndose una segundaonda de presión inferior que se desplaza por la tubería. Esta secuencia se repitedurante el tiempo en que la velocidad y descarga de la bomba continúan sudecrecimiento. En muy poco tiempo, la velocidad de la bomba se reduce hasta unpunto en el que no puede desarrollar suficiente presión para el bombeo. En esemomento, la válvula de retención situada en la descarga de la bomba y quenormalmente se utiliza para evitar la inversión del flujo a través de aquella, se cierraaislando la bomba de las condiciones transitorias que tienen lugar en la tubería deimpulsión. Sin embargo, las variaciones de caudal y velocidad continúan hasta quetoda la energía se disipa en vencer la resistencia al rozamiento de la tubería. Duranteesta secuencia de acontecimientos la carga en el extremo final de la tubería deimpulsión permanece constante. En los puntos intermedios, la carga resultante vienedeterminada 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 alpunto de partida se denomina tiempo crítico y viene dado por:

a

LT

2= (3.12)

donde:T : Tiempo crítico, s

L: Longitud de la tubería de impulsión entre el punto de cambio del caudal yel de reflexión, ma: Velocidad de la onda de presión, m/s

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



34

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

gT

LV H

2=Δ cuando

2

aT L < (3.13)

y la fórmula de Allievi

g

aV H =Δ cuando

2

aT L > (3.14)

)/(1

1440

e E d K C a

××+= (3.15)

donde:H: presión estática, m

a: Velocidad de propagación de la onda, m/sV: Velocidad inicial del agua, m/sL: longitud de la tubería, mC: 1, en tuberías con junta de expansión, C = 1 - μ2 en tuberías con

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

μ: Módulo de PoissonK: Módulo de masa de agua, K = 2070 MN/m2 d: diámetro de la tubería, mmE: 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, sΔH: Sobrepresión debida al golpe de ariete

En el pasado, el análisis del golpe de ariete en tuberías de impulsión para determinarlas presiones máxima y mínima se llevaba a cabo empleando métodos gráficos,integración aritmética o ábacos de golpe de ariete. En la actualidad, la granaccesibilidad a las computadoras, ha proporcionado un sistema muy adecuado y demuy buena relación costo-efectividad para analizar los problemas relativos al golpede ariete y a los regímenes hidráulicos transitorios. Por ejemplo, con un programaadecuado, la tubería de impulsión puede subdividirse en diez o más tramos de igual

longitud cuyos puntos de separación se corresponden muy próximamente a lospuntos altos del perfil o a cambios del diámetro o del material de la tubería. El efectode la existencia de puntos altos, la posibilidad de separación de la columna de aguaen los mismos y las sobrepresiones que se producen al juntarse de nuevo lascolumnas de agua no son despreciables en absoluto y pueden ser analizadasprefecta y económicamente por medio de un programa bien concebido.



35

3.5.1 Control del golpe de ariete

El objetivo del control del golpe de ariete es limitar la variación de las presiones en latubería de impulsión, dentro de un rango determinado de valores, mediante lareducción 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 sersimples o complejos. En consecuencia, los sistemas de control del golpe de arietenecesarios para proteger las bombas y tuberías de impulsión pueden ser muysencillos o muy elaborados. Los sistemas de control normalmente empleados son lossiguientes:

a. Válvula de retención situada en la descarga de las bombas, dotada decontrapeso 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 velocidadpredeterminada después del corte de energía.

e. Válvula de purga y admisión de aire situadas en el cárcamo de bombeo y en lospuntos altos de la tubería de impulsión para limitar el desarrollo de presionesinferiores a la atmosférica.

3.5.2 Válvulas de retención

En casos sencillos, tales como cárcamos de bombeo pequeños o medios con tuberíade impulsión de corta longitud (menor de unos 500 m) con trazado ligeramenteascendente y pequeñas alturas geométrica de elevación (del orden de 15 a 20 m), elsistema de control puede consistir en una válvula de retención con contrapeso ymanivela, situada en la descarga de la bomba para ayudar la maniobra de cierre deldisco 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 tuberíaMódulo de elasticidad

E, kg/cm2 x 10-6Módulo de Poisson

μ Acero 2.10 0.2

Fibrocemento 0.234 0.2Concreto reforzado 2.0 0.2

PVC. 0.028 0.4PRFV. 0.14 – 0.21 0.3

PVC = Policloruro de vinilo, PRFV = Plástico reforzado con fibras de vidrioFuente: Hernández, M. 1996.



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

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

mgH

LV T 12

(3.16)

dondeT : Tiempo de cierre de la válvula de protección, doble del tiempo necesario

para que se anule la velocidad, s.H m: Desaceleración media de la presión, incluyendo la fricción, mL : Longitud de la tubería, mV : Velocidad inicial del agua, m/sg : Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.



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4 ACCESORIOS E INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DEL CÁRCAMO DEBOMBEO

4.1 VÁLVULAS Y COMPUERTAS

El principal problema de control que se tiene en los cárcamos es el de impedir elpaso del agua cuando se requiera, como es el caso de la limpieza periódica o parahacer alguna reparación. También conviene impedir el flujo cuando las bombas notrabajan para evitar la acumulación de arenas y lodos en el interior, a este control, sele conoce como emergencia, pues el gasto requerido se regula mediante el mismoequipo de bombeo. Así mismo, en ocasiones se requiere impedir que el flujo retorneen contra de un determinado sentido de circulación y, muchas veces también serequiere poder mantener el flujo a una determinada presión de servicio o liberar elexceso de presión cuando esta sobrepasa ciertos límites de seguridad. Para hacerlose emplean las válvulas y las principales de cada función son:

4.1.1 Permitir el paso de un f lujo o detenerlo

Las válvulas más convenientes para abrir o cerrar por completo el paso de un fluidoson las de compuerta (Figura 4.1), ya que producen un cierre hermético cuandoestán cerradas y cuando están abiertas permiten el máximo paso al fluido con lamínima pérdida de carga.

Figura 4.1 Válvula tipo compuerta: partes pr incipales

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 (Figura4.2). Dichas válvulas tienen sus asientos construidos de tal modo que producen uncambio 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 paralos diámetros mayores de 30.5 cm (12”) debido a los grandes esfuerzos querequieren 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 Figura4.3. Estas válvulas se construyen en dos tipos distintos, conocidos como: retención abisagra y retención horizontal. Ambos tipos están diseñados para producir la mismasimple función de permitir el paso del flujo sólo en una dirección, de modo que elsentido del flujo las abre, mientras que la fuerza de la gravedad y el contrasentido delmismo flujo las cierra automáticamente.

Las válvulas de retención a bisagra se usan con las válvulas de compuerta y las detipo horizontal con las válvulas de globo.

Manubrio

Tuerca del manubrio

Vástago

Tuerca del empaque

Prensador

Empaque

Caja del empaque

Bonete

Tuerca del bonete

Anillo del sujetador

Arandela de seguro

Asiento

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 variableexistente en el suministro de entrada, a una presión más baja y constante requeridapor el servicio. Estas válvulas no sólo reducen la presión, sino que la mantienen a losvalores prefijados en forma independiente de la cantidad de fluido que pasa a travésde ellas, todo dentro de límites razonables previamente establecidos.

Las válvulas reguladoras de gasto funcionan de manera muy similar a las válvulasreguladoras 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 endiámetros mayores a 15.3 cm (6”).

Los tipos de válvulas más recomendables usadas para agua y agua residual sepresentan en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1 Recomendaciones para uso de válvulas de aislamiento Agua Agua residual

Cruda Limpia Cruda Tratada AnguloBolaMariposaConoDiafragma

CompuertaDoble disco AgujaCanalGlobo

Excéntrica

BBBBP

BBBNB

BBBBP

BBBBB

NBNBP

IBBNB

BIBBB

BBBIB

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 discoDisco

Anillo de asiento

Cuerpo



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4.2 REJILLAS

Independientemente de su tamaño, todas las bombas, pueden obstruirse con traposy otros materiales normalmente presentes en el agua residual.

Los trapos tienen tendencia a engancharse en los componentes de la bomba, y aacumularse hasta que, eventualmente producen su atascamiento. Para evitar esteproblema, en la mayoría de los cárcamos, excepto en los más pequeños, se instalandispositivos en la cámara húmeda que separe o desmenuce los trapos y otrosmateriales. Los dispositivos más comunes son las rejillas y desmenuzadores.

Una rejilla es un dispositivo formado por un conjunto de barras paralelas cuya misiónes separar los objetos contenidos en el agua residual a medida que pasan a travésde las mismas, en la Figura 4.4. se muestran un tipo de rejillas. Normalmente, lasrejillas son de limpieza automática, aunque se emplean en caso de emergencia lasrejillas de limpieza manual, situadas en canales dobles, cuando las de limpiezaautomática están fuera de servicio. Los residuos extraídos deben ser debidamentedispuestos en rellenos sanitarios, o bien pueden ser triturados y retornados al aguaresidual.

En las rejillas, cuanto menor sea la separación entre barras, mayor será la cantidadde residuos a extraer. En consecuencia, la separación deberá ser lo suficientementepequeña para proteger las bombas, pero tan grande como sea posible para reducir lacantidad de residuos a extraer. Si el único criterio a aplicar es la protección de lasbombas, se sugiere adoptar una separación entre barras del orden de un tercio delmáximo tamaño de sólidos que puede manejar la bomba. La mínima separaciónentre barras normalmente utilizada es de 100 mm. Cuando se utilicen separacionesmenores a 75 mm, es de esperar que se presenten problemas porque se separaránsólidos putrescibles, conjuntamente con el resto de residuos, que pueden producirmalos 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, sepueden considerar como rejillas finas aquellas en que la separación libre deaperturas es inferior a 1.5 cm.



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La distancia entre barras, en las llamadas rejillas de separación media, oscila entre1.5 y 5.0 cm. Son las más empleadas en la actualidad, puesto que retienen la mayorparte 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 ala planta de tratamiento, sirviendo como pretratamiento respecto a la rejilla mediacolocada a continuación.

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

En cualquier caso, interesa la colocación de rejillas bien calculadas con lo que seevitan perturbaciones posteriores, que restan eficacia a todo el sistema detratamiento.

4.3 DESMENUZADORES

Un desmenuzador es un dispositivo mecánico que separa los sólidos del aguaresidual a medida que pasa a través del mismo y, a continuación, los corta ydesmenuza en tamaños suficientemente pequeños para que puedan pasar a travésdel dispositivo de desbaste y de las bombas sin producir atascamientos.

Los trapos desmenuzados tienen tendencias, cuando son agitados, a aglomerarseformando bolas. Ello puede no constituir un problema en un cárcamo de bombeo enel que lo único que se pretende es la protección de las bombas, pero si puede serloen una planta de tratamiento en la que las bolas de trapo pueden afectar algúnproceso de tratamiento.



42

Existen dos tipos de desmenuzadores: desmenuzador sin elevación y con elevaciónde agua. En los dos casos, se trata de aparatos adaptados especialmente para eltratamiento de aguas residuales, y capaces de absorber las materias contendidasnormalmente en esta agua, después de un desbaste, la rejilla de separación entrebarrotes 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 comorejas. Dicho tambor tiene dispuestos, en filas verticales, unos dientes de acero queencajan 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 substanciasgruesas flotantes en las mismas, para ser arrastradas por el giro del tambor ycortadas al pasar entre los dientes y el rastrillo.

El triturados Passavant mostrado en la Figura 5.10, es a base de martillos alojadosen un cuerpo de fundición provisto de huecos.

El martillo (b), accionado por el motor eléctrico (a), apoya sobre el cuerpo defundición (d), con hendiduras y brazo oscilante (c), y por sus acciones violentas yrepetidas de fricción y desmenuzado produce la trituración.

Las materias a triturar llegan tangencialmente al agua en la precámara (e), en la queel torbellino producido (f) las aspira hacia la cámara de trituración.

Los elementos duros (metales, piedras, etc.) caen a la cámara inferior (g) y sepueden retirar fácilmente con un rastrillo por la pendiente (h), incluso durante elfuncionamiento del triturador.

4.3.2 Desmenuzador con impulsión de agua

Los desmenuzadores con bombeo trituran los sólidos a la vez que impulsan lasaguas residuales. Su capacidad de impulsión no es elevada, instalándose muchasveces, en la tubería y en serie, un elemento triturador seguido de la bombaimpulsora.

4.4 AUTOMATIZACIÓN

La instrumentación en los cárcamos de bombeo incluye controles automáticos parael funcionamiento secuencial de las bombas; controles manuales para el mismopropósito y las alarmas de problemas de funcionamiento. Todos estos instrumentosdeben instalarse en un panel de control cuyas características dependen del tipo decárcamo 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 cámarahúmeda. El aspecto más importante es el relativo al método utilizado para medir elnivel del líquido en el cárcamo de bombeo. Estos sistemas incluyen flotadores,

electrodos, tubos de burbujas, medidores sónicos y tubos de capacitancia. Tambiénse han utilizado sensores de diafragma. Cada uno de estos sistemas se describe enla Tabla 4.2.

4.4.2 Controles manuales

Aparte del control automático, las bombas deben poder ser accionadas manualmentedurante emergencias en las que los controles automáticos no funcionen y durante sumantenimiento. El control debe incluir tanto el relativo al funcionamiento a velocidadconstante como a velocidad variable. El sistema de control manual debe permitir eldesvío del control de paro de nivel mínimo pero no la alarma correspondiente almismo, 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 conpersonal permanente, deben disponer de una alarma que se transmitatelemétricamente, o por cualquier otro método, hasta un punto en el que hayavigilancia 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 ocon sistema de control complejo).

La alarma de nivel máximo debe estar por encima del arranque de la última bombadentro de la secuencia normal de bombeo, pero por debajo del arranque de la bombade reserva. Esta disposición permite identificar el fallo de una de las bombas defuncionamiento normal cuando todavía se dispone de la de reserva.

La alarma de nivel mínimo se coloca por debajo del punto de paro de la primerabomba (de un grupo de bombas) para indicar un mal funcionamiento del sistema decontrol del bombeo. Normalmente, se debe tener un dispositivo de paro deemergencia por bajo nivel del agua que deja fuera de servicio todas las bombasantes de que vacíen el cárcamo de bombeo.

Las alarmas que indican un mal funcionamiento de los controles de la velocidad, seinstalan, normalmente, para las bombas de velocidad variable, normalmente, para lasde velocidad variable. El origen de la señal depende del tipo de bomba de velocidadvariable 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 secentralice 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 losmandos de las señales acústicas.

El número de elementos por incluir en el panel de control depende de la complejidady las necesidades de cada sistema.

4.4.5 Medida de caudal

En ocasiones, los cárcamos de bombeo incorporan medidores de caudal. Parabombas de velocidad constante, el sistema de medida más sencillo es el uso decontadores horarios en los arrancadores de los motores. Puesto que este tipo de

bombas tiene una descarga relativamente constante, si se conoce el tiempo defuncionamiento puede conocerse un volumen aproximado de bombeo.

En los cárcamos de gran capacidad, la medición de caudal se lleva a cabo mediantemedidores tipo Venturi o tubos de flujo. En la actualidad es raro utilizar medidoresVenturi porque no suele disponerse de espacio suficiente para el tramo recto detubería donde ha de alojarse el medidor. Los tubos de flujo son de uso más comúndebido 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 mentre los niveles máximo y mínimo. La distancia entre los puntos de control (arranquey paro de las bombas sucesivas) debe ser, como mínimo de 75 mm ypreferiblemente 150 mm. Esta separación mínima es necesaria para permitir lahistéresis en el sistema de control y asegurar la repetibilidad de los componentes delmismo.



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4.5.1 Bombas de una o dos velocidades

Ambos tipos de bombas son las de control más sencillo, requiriéndose únicamenteun conjunto de interruptores que permitan el paso de un escalón al siguiente. En elEjemplo 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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4.5.2 Bombas de velocidad variable

Las bombas de velocidad variable requieren controles más complejos que las de unao dos velocidades. Los dos tipos básicos de control de velocidad variable son los deniveles 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 controlela velocidad de cualquiera de las bombas de velocidad variable que se encuentre enfuncionamiento. 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 sistemadeterminado requiere una banda de control estrecha. En un sistema de nivelconstante, se selecciona un nivel del cárcamo de bombeo y cuando el líquido seeleva o desciende respecto al mismo, se produce una señal de control de lavelocidad que aumenta o disminuye la de la bomba. Cuanto más se desvía el niveldel líquido del prefijado, más fuerte es la señal para variar la velocidad. Si la bombafunciona a plena velocidad y el nivel del agua continúa ascendiendo, se pone enmarcha una segunda bomba. Cuando el nivel comienza a descender, la bomba separa 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 de2300 o 4160 V, con equipos auxiliares a 460 V. En la actualidad se exigen que todoslos cárcamos de bombeo tengan grupos electrógenos de reserva.

Los cárcamos cuyo funcionamiento es esencial, pueden tener dos alimentacionesindependientes de distintos transformadores de la compañía eléctrica. Si una de ellasfalla, la otra entra en servicio automáticamente. Si no es posible conseguir dosalimentaciones independientes, debe suministrarse energía mediante uno o másgrupos electrógenos dimensionados para arrancar y hacer funcionar suficientesbombas para evitar la inundación de las calles, sótanos y los rebosamientos. Enciertos casos, se han instalado unidades de accionamiento dual, de manera que lasbombas pueden ser accionadas por los motores o por los grupos electrógenos. Encárcamos sin personal permanente, la conmutación de las fuentes de energía debeser totalmente automática. Los transformadores pueden instalarse en recintosexteriores convenientemente cercados o pueden ser aéreos.

Los arrancadores de los motores y los controles deben situarse en un conjunto decontrol situado a nivel del terreno en una zona limpia y seca. Esta forma deconstrucción es más limpia, segura y satisfactoria que los armarios de pared conarrancadores individuales e interruptores de circuitos que se utilizaban antiguamente.Los cárcamos de gran tamaño deben disponer de una cámara independiente para lainstrumentación 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 ycalefacción adecuadas.

Todos los equipos eléctricos y de iluminación del cárcamo de bombeo deben serantiexplosivos para evitar el peligro potencial de explosión de los vapores y gases

arrastrados por el agua residual. Debe instalarse una iluminación adecuada y unnúmero 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 esinferior 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 derotación es correcto. Esto se debe comprobar, durante la instalación eléctrica,mediante el uso de un indicador de dirección de fase. Después de comprobar elindicador, se conecta la bomba un instante y se observa la iniciación del movimientoen la bomba. Mirando desde la parte superior del motor, debe ser contraria al sentidode giro de las agujas del reloj, o la iniciación de la dirección debe ser la indicada en laetiqueta.

No es conveniente hacer funcionar la bomba en seco, debido a que puede causarproblemas o dañar los elementos de bombeo y la cubierta, el sistema eléctrico de lamisma bomba puede quemarse. Por lo que basta observar el sentido de giro, paraver si el movimiento es el correcto, y en consecuencia proceder a su corrección, o alempleo de la bomba.

Una bomba está sometida a variaciones de potencia y, por tanto, debe tener unamplio margen de sobrecargas. Esto se consigue regulando el relé a la intensidadabsorbida 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 deunos cuantos minutos de funcionamiento del motor.

4.7 CALEFACCIÓN Y VENTILACIÓN

La introducción de instalaciones de ventilación y calefacción es normal en losgrandes cárcamos de bombeo.



49

4.7.1 Instalación de calefacción

En los cárcamos de bombeo situados principalmente en la zona Norte de nuestropaís, donde se llegue a presentar una congelación del agua durante el invierno, debehaber calefacción con control automático. En la cámara seca con personal

permanente es conveniente tener una temperatura agradable mientras que enaquellas 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 delas necesidades caloríficas. En grandes cárcamos se suelen emplear radiadoresalimentados con agua caliente mediante calderas que utilicen gas o gasóleo comocombustible o bien instalaciones de aire acondicionado. En los cárcamos pequeñosla cámara seca puede calentarse por medio de convectores de aire calientealimentado con gas o gasóleo que incluyen un doble circuito para calentarindependientemente el cárcamo de bombeo. A veces, en estas instalacionespequeñas, se usan radiadores eléctricos.

4.7.2 Instalación de venti lación

La instalación de ventilación de la cámara húmeda y la seca deben ser totalmenteindependientes y todos los orificios de paso de tuberías o cables eléctricos han deestar perfectamente impermeabilizados.

Es esencial disponer de una buena ventilación de aire exterior. Los cárcamos debombeo deben incluir sistemas de ventilación mecánica bien distribuidos por todo elrecinto; la salida del aire forzado se realiza por la parte superior del mismo. Elsistema debe ser capaz de mantener una presión positiva en el cárcamo de bombeocon el fin de reducir al mínimo la entrada a la misma de aire procedente de lasalcantarillas. La salida del aire del cárcamo de bombeo debe situarse próxima a laentrada de la alcantarilla.

En cárcamos pequeños sin personal permanente, es normal disponer de un sistemade ventilación intermitente. En cárcamos grandes o en los que existan rejillas delimpieza automática u otros equipos de costo elevado, es conveniente que laventilación sea continua para evitar atmósferas húmedas corrosivas que suelenproducirse en las cámaras húmedas dotadas de ventilación intermitente. Serecomienda, y gran número de organismos así lo exigen en la actualidad, que elcaudal de aire de ventilación a suministrar al cárcamo de bombeo basado en elvolumen existente por debajo del terreno y por encima del nivel mínimo de líquido enla cámara, sea tal que produzca 1) un mínimo de 30 cambios por hora si el ventiladorno funciona en continuo y 2) un mínimo de 12 cambios por hora si el funcionamientoes continuo. La cifra de 30 cambios por hora para funcionamiento intermitente esnecesaria por razones de seguridad. Este caudal de aire produce un rápido arrastre ola dilución de los gases y aire contaminados acumulados en el cárcamo.

Cuando el cárcamo tenga un sistema de ventilación intermitente es convenienteequipar al ventilador con un motor de dos velocidades, de manera que sea posible



50

funcionar en continuo a baja velocidad, utilizando la alta únicamente cuando se visiteel cárcamo. En zonas urbanizadas, esta modalidad de funcionamiento puedeproducir una dilución suficiente de los malos olores, de forma que cuando se pongaen marcha el ventilador a velocidad alta no se produzca una descarga masiva deaquellos. El interruptor de maniobra del ventilador debe colocarse junto a la puerta de

acceso. Como precaución adicional, el ventilador puede estar interconectado con elinterruptor de la luz.

Es posible que se requiera una capacidad adicional de ventilación para eliminar elcalor 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 esecalor para la calefacción. En cualquier caso, el sistema de ventilación ha de tener uncontrol automático para procurar una refrigeración adecuada cuando la temperaturaambiente 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 deagua potable. Esta es utilizada para el aseo y como agua de soporte a aquellasbombas que incluyen juntas hidráulicas. Como mínimo, se recomienda instalar unbaño 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 comoen la seca, para la limpieza de los suelos, así como aspersores para el riego delcésped y árboles.

Cuando las normas de edificación lo permitan y la presión del agua sea suficiente, esposible 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 entodos los usos comentados. El sistema de control consiste en dos válvulasreductoras de presión colocadas en serie, entre las que se intercala una válvula deseguridad de sobrepresión. Cuando la presión intermedia se aproxima a la del aguapotable, se abre la válvula de seguridad evitando la entrada de agua contaminada ala 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 ydos bombas. El agua potable entra en el tanque a través de un dispositivo de roturade carga para evitar la posibilidad de contaminación y el nivel en el tanque secontrola mediante una válvula de flotador. La succión de las bombas de aporte deagua se hace directamente desde el tanque. Las bombas suelen ser centrífugas otipo turbina, dependiendo del caudal y presión requeridos. Se recomienda instalardos 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



51

debe situarse a nivel del terreno, de manera que pueda descargar directamente alcárcamo 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 porbombeo, mediante bombas de funcionamiento automático, a el cárcamo de bombeo.Es conveniente instalar dos bombas por razones de seguridad de funcionamiento. Elcontrol de las mismas incluye una alarma de nivel máximo situado entre los puntosde 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 inatascabley no bombas normales de drenaje, ya que es muy frecuente la extracción de bolas detrapos acumulados en las bombas y su envío al drenaje. La descarga de las bombasdebe incorporar dos válvulas de retención (check) colocadas en serie y debe verter ael cárcamo de bombeo por encima del máximo nivel previsto en el mismo. Ello sehace así para minimizar la posibilidad de inundación de la cámara seca por inversióndel flujo desde la succión.

4.10 RECOMENDACIONES GENERALES

En relación con la construcción de los cárcamos de bombeo se sugieren lassiguientes recomendaciones:

El edificio de bombas deberá instalarse fuera de la zona de avenidas extraordinariaso 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 pesadoscomo 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 necesariospara acomodar su sección al orificio de la bomba.

• El edificio destinado a proteger las bombas, deberá ser de fácil acceso, bieniluminado, bien aireado y con espacio suficiente de modo que se pueda circularlibremente alrededor de los equipos. Se construirá, siempre que la variación de elnivel 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 lasmáquinas.• 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 líneaseléctricas 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 demayor tamaño. En caso contrario se preverán salidas especiales.

• Se instalarán grúas-viajeras para el manejo de las piezas, en las instalacionescuya 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 aluminiode rigidez suficiente. Las escaleras de mano solamente se instalan cuando lopermita las especificaciones vigentes y no sea posible construir una escaleraconvencional. No deben utilizarse escaleras verticales ni circulares.

Para evitar la corrosión es necesario emplear metales con bajo potencial, como elcromo. La oxidación de equipos de acero al carbono no se produce en el aire cuandosu humedad relativa es inferior al 60% y 50% en atmósfera salina. Con agua ypresencia de oxígeno la oxidación es continua. Para aguas normales el aceroinoxidable es suficientemente resistente, pero no con aguas de mar, que por elcontenido 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 lascorrespondientes a cada grupo. Las de uso más extendido en el campo de ingenieríasanitaria son las centrífugas que están clasificadas como bombas de energíacinética. A menudo las bombas centrífugas se clasifican de acuerdo con un valorconocido 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) deflujo 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 sinagua residual o efluentes de plantas de tratamiento. A continuación se da un mayordetalle de cada una.

5.1.1.1. Bombas de flujo radial

En estas bombas se emplea la fuerza centrífuga para impartir energía al fluido, porello en ocasiones se les denomina centrífugas, porque forman un remolino con flujoque sale en forma radial. Para el agua residual se deben emplear diámetros de pasosuperiores a 10.2 cm (4 pulgadas). Las bombas de flujo radial tienen velocidadesespecíficas variables entre 10 y 80. Los principales componentes de una bomba deflujo 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 seforma un vortex en un flujo axial. La velocidad específica (un número característicode cada bomba) varía entre 80 y 200.



54

Figura 5.1 Diagrama de la clasif icación de las bombas

Bombas

Cinéticas

De chorro(eyector dealta presión)

Ariete hidráulicoElectromagnéticas

MonocelularesMulticelulares

Flujo axial

Flujo radialFlujo mixto

Aspiración simple Aspiración doble

MonocelularMulticelulare

AutocebanteNo autoceba

Aspiración simple MonocelularMulticelulare

Desplaza-mientopositivo

Centrífugas

Periféricas

Especiales

Alternativas

De inyector

De pistón

De simple efectoDe doble efecto

AutocebanteNo autocebante

Simplex

DuplexTriplexMultiplex

De doble efectoSimplexMultiplex

SimplexMultiplex

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 desucción 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 cuyocaso se denominan bombas de flujo mixto tipo voluta, o dentro de difusores similaresa 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 ypluvial, particularmente cuando tienen una velocidad específica entre 80 y 120. Estándisponibles en tamaños de 20.3 cm (8 plg) de diámetro y mayores y pueden operarcon 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 serequiere bombear grandes volúmenes contra una pequeña carga donde este tipo debombas resulta menos caro que las de flujo mixto o radial. Sin embargo, este tipo debombas es usado para aguas residuales que sean sometidas a un desbaste previopues se puede atascar la guía de las aspas y, a la larga, taponar el paso. Estasbombas tienen velocidades específicas superiores a 200.

(a) (b)

(d)(c)



56

5.1.2 Bombas de desplazamiento pos itivo

La bomba de tornillo, clasificada como de desplazamiento positivo, tiene dos ventajasprincipales 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 3.2m3/s, aunque algunos fabricantes suministran tamaños superiores. La capacidad dela bomba depende de la altura del líquido en el extremo inferior del tornillo, cuantomás bajo sea el nivel, menor es la capacidad. El ángulo de inclinación estáestandarizado 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 conreductores a la salida de 30 a 50 rpm. El rendimiento normal es del 85% a lacapacidad 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 dechorro 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, seemplean los eyectores neumáticos debido a que no se atascan. En la Figura 5.4 semuestra uno de ellos junto con el equipo asociado.

Los eyectores neumáticos se encuentran disponibles en capacidades que van de 1 a38 L/s en operación simple, sin embargo, es preferible usarlos desde el punto devista económico hasta para gastos de 20 L/s. Generalmente operan en ciclos de 1min, con periodos de llenado y descarga de 30 segundos.

Figura 5.4 Eyector neumático y conjunto asociadoFig 5.4

Filtrode aire

Válvula deseguridad

Válvula deretención

Compresor de aire Purga de

goteo

Tanque dealmacenamientode aire

Panel decontrol

Presostatos

Válvula desolenoide

Abertura a laatmósfera

Filtro

Conductopara aire

Control

de nivelT de entrada

Descarga

Válvula deretención

Válvula decompuerta

Válvula de

retención

Depósito defundición receptor de

aguas residuales

Válvula dediafragma (3 vías)



58

5.1.3.2. Bombas con flujo de torque

Estas bombas están diseñadas para manejar material sólido, por lo cual se empleanpara 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 pasosimple. Las curvas características de una bomba de este tipo son comparables a lasde una bomba convencional no atascable como la de la Figura 5.5, su capacidadaproximadamente es la mitad de la de una bomba no convencional inatascable, porlo que son particularmente útiles para flujos pequeños. Se encuentran en tamañossuperiores a 12.7 cm (5 plg).

Figura 5.5 Carcasas de bombas centr ífugas

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 prácticamenteinatascable. 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 detratamiento de agua residual en ciertas actividades tales como el cebado de bombascentrífugas 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 delas bombas. Su operación se describe mediante curvas que muestran la carga totalde 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. Algunascurvas 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 Figura5.6. En éstas, las variables han sido graficadas como por ciento del valor al puntomáximo de eficiencia. Adicionalmente, las características operativas de varios tiposde 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

P o t e n c

i a a b s o r b i d a

R e n

d i m i e n

t o

A l t u r a

R e n

d i m

i e n t o

R e n d i m

i e n t o

R e n d i m

i e n t o

Al t u r a Al t u r a

Al t ur a

P o t e n

c i a

a b s o

r b i d a

P o t e ncia ab s o r b i d a

P o

t e n c i a a b s o r b i d a

Bomba de hélicede flujo mixtoN =125S

Bomba deflujo radialN =35S

Bomba de tipo volutade flujo mixtoN =85S

Porcentaje del caudal bombeado en un punto de máximo rendimiento

A l t u r a d e e l e v a c i ó n , p o t e n c i a a b s o r b i d a

y

r e n d i m i e

n t o e n t a n t o p o r c i e n t o s o b r e l o s v

a l o r e s

c o r r e s p o

n d i e n t e s a l p u n t o d e m á x i m o r e n d i m i e n t o

Fig 5.6

500 100 130



60

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

Tipo de bombaCentrifuga Desplazamiento positivo

CaracterísticaFlujo

radial

Flujo mixto Flujo axial Rotatorio Pistón

Caudal Uniforme Uniforme UniformeRelativamente

uniformePulsante

Efecto de aumentar la carga:En la capacidad Disminuye Despreciable

En el consumoenergético

Disminuye

Ligerodecremento

a unimportanteaumento

Incrementonotable

Incrementa

Efecto de disminuir la carga:

En la capacidad Incrementa Despreciable

En la energíaconsumida

Aumenta

Ligeroaumento a

undecremento

Disminuye Disminuye

Efecto de cerrar la válvula:

En la presiónHasta

30% deaumento

Aumentoconsiderable

Aumentomuy

importanteNo aplica

En la demanda deenergía

Disminuye

en un 50 a60%

10 % dedecremento,

hasta 80%deincremento

Incremento

en un 80 a150% No aplica

Fuente: Metcalf and Eddy, 1985.

• las pérdidas por fricción se incrementan conforme aumenta la presióndiferencial

• * 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 serelaciona con una velocidad N en rpm de la forma siguiente:

Q varía con NH varía con N2 P varía con N3



61

Las relaciones anteriores se conocen como leyes de afinidad y se emplean paraconocer 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 menosconfiables. En la práctica, el cambio en el nuevo punto de operación, que ocurrecomo 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:

4/3 H

Q N N s = (5.1)

donde:N s: Velocidad específicaN : Velocidad, rpmQ: Gasto, m3/sH : Carga, m

Para una bomba determinada a velocidad dada, Q y H específica, se consideran enel punto de máxima eficiencia. Cuando la ecuación 5.1 se aplica para bombas conimpulsores de doble succión, se emplea la mitad de la descarga, a menos que seindique lo contrario. Para bombas de varias etapas, la carga corresponde a la decada 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 velocidadpara una misma bomba. Debido a que la velocidad específica para una mismabomba 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 Figura5.7 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 semuestra 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 altamaño de la bomba

Las características de diseño de las bombas, los parámetros de cavitación y laoperación anormal en las condiciones de transición pueden ser correlacionadas conla 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 equiposmayores para cargas semejantes.

B: Si se seleccionan unidades con velocidad específica más elevadas, para lamisma carga y capacidad, éstas operarán a una mayor velocidad y enconsecuencia 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

R e n d i m i e n t o , e n %

Velocidad específica, en N =s

N 0

H3/4

P o r e n c i m a d e 0 .6 3 m 3 / s

0 .6 3 m 3 / s

0 .19 0 m 3 / s 0 .0 0 6 3 m3 / s

0 .0 3 1 m 3 / s

0.012 m3 /s

0. 0 0 6 m

3 / 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 conbronce o de acero inoxidable con impulsores de fierro colado o de bronce. Cuando elagua 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 suministradasnormalmente con anillos de bronce y solo es pedido de acero inoxidable en el ladode la succión. Las bombas menores vienen con o sin anillos.

Los soportes verticales para los bombas de cámara húmeda son del tipo deantifricción y lubricados a partir de collares y se colocan en el eje principal arriba delimpulsor.

5.3.1 Corrosión y duración de vida de las bombas

Los metales más adecuados para fabricar bombas se resumen en la siguiente Tabla5.2.

Tabla 5.2 Corrosión en bombasTipo de corrosión Material Características

POR PICADO(Debido a cloruros y

halógenos)

Cloruros

Bronce sin zincBronce con aluminio

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

Mb) Acero 453 S

Aceros inoxidables al cromo ymolibdeno

Aceros inoxidables al carbono y

silicioCloruro de polivinilo

Resisten mal

Resiste los cloruros ycompuestos clorados con pH

> 1

Temperatura máxima 60ºCBajo tensión Acero al cromo níquel

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

Protección por deposición químicade níquel, siempre que el contenido

sea superior al 50%

Polietileno

Aparecen fisuras

Temperatura máxima 100 ºCBACTERIANA

(Acción en presencia deaire, agua y hierro)

Ácidos orgánicos ominerales

Medios sulfúricos Ácidos en general

MONELURANUS 86Polietileno

Teflón

Limpieza frecuente conproductos bactericidas

(Ácido fosfórico)Temperatura máxima 100 ºC

Fuente: Hernández A. 1996.



64

La universidad de Queensland, Australia, ha propuesto tres índices de corrosión quepermiten 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 corrosiónIndicador de corrosión Buena Dudosa Peligrosa

pH 7.5 a 8.5 6.5 a 7.5 4.0 a 6.5Índice de saturación de

Langelier0 a +2 -2 a 0 -7 a –2

Bomba concuerpo defundición yimpulsor 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 5Índice de saturación de

Langelier0 a +2 -5 a 0 -7 a –5

Bomba concuerpo y rotor de

bronceLog (Cl-/CO3

=) 0 a 2.5 2.5 a 6 6 a 9Fuente: Hernández A. 1996.

5.4 ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS

Los sistemas más comunes para accionar las bombas son los motores eléctricos decorriente directa. En ocasiones se instalan bombas accionadas por motores decombustión interna para asegurar el funcionamiento en caso de que los motoreseléctricos fallen, esto es posible cuando pueda emplearse gas de digestión comocombustible.

5.4.1 Motores eléctr icos

Las bombas de velocidad constante pueden ser operadas por motores de inducciónde jaula de ardilla de rotor devanado o por motores síncronos. Los primeros seprefieren por su simplicidad, confiabilidad y economía, aunque se debe tenerpresente que los motores síncronos pueden resultar más económicos para grandespotencias y baja velocidad. Para accionamiento a velocidad constante, los motoresde rotor devanado no se usan pero aplican a casos especiales en donde hay bajairrupción de la corriente de arranque, o se usa en un sistema alimentado por ungrupo electrógeno (produce electricidad).

La velocidad de un motor eléctrico viene dada por la ecuación

polosdenúmero

frecuencia xrpmsíncronaVelocidad

120, = (5.2)

Los motores síncronos funcionan a la velocidad dada por esta ecuación pero lavelocidad 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 enla de menor velocidad para el agua residual a fin de reducir el desgaste de la bombapor arenas.

Las velocidades típicas de las bombas accionadas por motores de velocidadconstante 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 deinducción.

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 altasvelocidades.

El funcionamiento a diversas velocidades se consigue utilizando motores de jaula deardilla o de rotor devanado. En los primeros, la elección se limita a las velocidadesindicadas en la Tabla 5.4. Si la velocidad menor de un motor de dos velocidades esla mitad de la mayor, puede utilizarse un motor de bobinado simple, pero cuando noes 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 enambos casos, mientras que la de rotor devanado solamente funciona a su máximorendimiento a la velocidad mayor y cuando trabaja a velocidades inferiores elrendimiento se reduce considerablemente.



66

Tabla 5.4 Velocidades de funcionamiento de los motores de velocidadconstante con corr iente alterna de 60 Hz

Velocidad del motor, rpmPolos

Síncronos Inducción

2468

10121416182022

242628

a1,8001,200900720600514450400350327

300277257

355017701170870705585500435390350318

290268249

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 variablesconviene emplear bombas de velocidad variable. Ello se logra mediante el uso deresistores líquidos para los controles de los motores de rotor devanado, deaccionamiento magnético (corrientes parásitas) o acoplamientos fluidos.Recientemente, se utilizan también acoplamientos por cizalladura viscosa. Todosestos sistemas detienen en común las pérdidas por fricción que se convierten encalor, y disminuye el rendimiento.

Las pérdidas por fricción se calculan mediante:

1001

%, ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −

=s

skW gacar fricción por Pérdida (5.3)

donde

máximavelocidad

velocidad deacmáximavelocidad s

arg−= (5.4)

La eficiencia del accionamiento, a su vez se obtiene con

100%,absorbida potencia

útil potenciantoaccionamiedelmientorendi = (5.5)



67

por lo que el rendimiento global es

1

1%,

s xmotor delmientorendintoaccionamiedelglobalmientorendi

−= (5.6)

Las pérdidas por fricción alcanzan su valor máximo (33% de la energía necesaria opara 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 laintroducción de nuevos métodos de control de la velocidad variable, tanto paramotores de jaula de ardilla como para las de rotor devanado. Estos accionamientoslimitan de forma efectiva la corriente de irrupción y permiten un arranque suave delmotor. 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 dereactores saturables o rectificadores controlados de silicio, proporciona elcontrol de la velocidad variable. Sin embargo, este tipo de control no tienebuen rendimiento y las pérdidas son eliminadas en forma de calor generadoen el motor, lo cual hace que este funcione con una temperatura elevada. Enconsecuencia, su uso no es recomendable para servicios municipales.

b) Motor de rotor devanado; control de estado sólido. La inclusión de reactoresde núcleo saturable, así como de resistores en el circuito secundario de unmotor de rotor devanado y el control mediante rectificadores controlados desilicio permite conseguir un control continuo de la velocidad sin tener querecurrir al uso de los tanques, tuberías e intercambiadores de calor que

requieren los resistores líquidos. Las pérdidas por fricción descritas en (A) sesiguen produciendo. Este tipo de accionamiento ha sido instalado en muchasbombas de agua residual.

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

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



68

El accionamiento por variación de la frecuencia y el motor de rotor devanado concontrol por regeneración del secundario son más eficientes que el resto deaccionamientos de velocidad variable porque las pérdidas por fricción son eliminadaso recuperadas en forma de trabajo útil, sin embargo su costo es superior a la de losotros 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 motoresde velocidad constante, además de que tienen un peor rendimiento y requierenmayor mantenimiento.

5.4.2 Motores de combustión interna

En cárcamos de bombeo de gran capacidad se emplean motores de combustióninterna como fuente de energía de reserva para accionar las bombas apoyados concontroles eléctricos críticos en el caso de fallo del suministro de energía. En algunoscasos, se utilizan estos motores para accionar bombas ubicadas en lugares muyapartados en donde no se dispone de suministro eléctrico o es poco confiable y enplantas de tratamiento en donde se dispone de gas de digestión como combustible.

Usualmente, los motores de combustión interna suministran energía no sólo a lasbombas, sino también a los equipos auxiliares y sistema de control. Para estautilización se emplean motores diesel o de encendido por bujías, alimentados congas natural o propano. El uso de gasolina no está extendido por los problemasderivados del almacenamiento del combustible.

5.4.2.1. Motores duales

Los motores diesel duales consumen una mezcla de gasóleo y gas. La relación entreambos es variable pero se requiere un mínimo de 10% de gasóleo para producir laignición. Pueden alimentarse directamente con gas de digestión. Estos motoressuelen suministrarse con doble carburador y doble alimentación de combustible, porejemplo gas natural o propano, para mantenerlos en funcionamiento cuando noexista gas de digestión disponible.

5.4.2.2. Accionamiento directo y con mecanismo de transmisión

Aunque las bombas horizontales pueden estar acopladas directamente a losmotores, en general, son accionadas a través de un mecanismo de transmisión quepermite que tanto la bomba como el motor funcionen a su velocidad óptima. Elsistema más común consiste en un motor horizontal que acciona una bomba verticalmediante un mecanismo de transmisión en ángulo recto.

Para los motores de combustión interna, se instala una caja de engranajescombinados con un motor eléctrico montado en la parte superior del mecanismo detransmisión en ángulo recto que se acopla directamente al eje de la bomba. Cuandoel motor acciona la bomba se emplea un embrague o acoplamiento de desconexiónpara 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 motoreléctrico acoplado al eje de la bomba gira libremente. Si se quiere que elaccionamiento funcione automáticamente se necesita un embrague en el eje entre elmotor de combustión interna y el accionamiento en ángulo recto, de manera que eleje 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:

η 75

H QW cP

a

××= (5.7)

dondeW: Peso específico del líquido (Kg/dm3)Q: Caudal a elevar en L/s

H: Altura manométrica en metrosη: Rendimiento en porcentajePa: Potencia absorbida, (C.V.)c: 1.25 coeficiente si se trata de aguas negrasc: 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 nivelcomercial, y en ese sentido se seleccionan aquellas que mejor se acomode a lascircunstancias particulares de la obra.

La elección y justificación del tipo de bomba se hace escogiendo en las condicionesnormales de marcha y el mejor rendimiento posible, que proporcionen el caudal y laaltura manométrica deseada.

Para seleccionar los equipos de un cárcamo de bombeo los factores a tener encuenta incluyen:

a) Caudal de proyecto e intervalo de los mismosb) Ubicación de cárcamo de bombeoc) 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 laselección del número y capacidad de las bombas, el tipo de accionamiento y eltamaño 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 haceal 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 sistemapresión y la curva de la capacidad de bombeo-presión. Se obtiene así la presión y elflujo al cual se operará el sistema de bombeo. La bomba debe seleccionarse de talforma que el punto de operación sea tan cercano como sea posible a su máximaeficiencia. 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 auna capacidad dada, la presión total es igual a la suma de las presiones adicionadaspor cada bomba. Para la operación en paralelo, la descarga total se multiplica por elnúmero de bombas para una presión dada. Es de notar, sin embargo, que cuando seusan dos bombas en serie o en paralelo, ni la presión ni la capacidad para una curvade presión de sistema se dobla.

Las velocidades específicas (ns) de los diferentes tipos de bomba estaráncomprendidas en los siguientes límites:

A B = B C

D E = E F

A D

E

F

B

CDos bombas

Carga del sistema

Una bomba

Carga

Descarga Descarga

Carga

AB = BC

DE = EF

B A C

D E F

Q1

Q2

Nota: Q + Q21

Dos bombas

Carga del sistema

Una bomba

(a) (b)



71

0 < ns ≤ 40 rpm40 < ns ≤ 140 rpm

140 < ns ≤ 300 rpm300 < ns ≤ 600 rpm

600 < ns ≤

1500 rpm

Bomba de émboloBomba centrífuga lentaBomba centrífuga rápidaBomba helicoidal

Bomba turbo-héliceCuando ns sobrepase las 1,500 rpm, deberá reducirse la velocidad de la bombaprevista de antemano y dividir el caudal en dos o más bombas. Siendo:

4/3

2/1

H

Qnns

×= (5.8)

donde:ns : Velocidad específica rpmn : 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 imprescindibledeterminar los caudales por bombear.

Los caudales que intervienen son el máximo de proyecto, el medio inicial y deproyecto y el mínimo inicial. Las bombas deben ser capaces de impulsar el caudalmáximo de proyecto, transportado por la red de alcantarillado pues si no habría

desbordamientos y en caso extremo inundaciones. Los caudales medio, mínimo y deproyecto son importantes, y los equipos deben seleccionarse para funcionar lo máseficientemente posible para los caudales medios. Los caudales iniciales mínimostienen importancia para el dimensionamiento de la tubería de impulsión, ya que lossólidos que se depositen a bajas velocidades no deben producir obstrucciones. Loscaudales iniciales mínimos a bombear se calculan a partir de los medios iniciales ypueden 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 deproyecto y usualmente es de 20 años.

Tabla 5.5 Factores utilizados para la estimación del caudal mínimoCaudal medio m3/s Factor de caudal mínimo0.05 0.250.5 0.352.5 0.455.0 0.50




72

Una vez determinados los caudales iniciales y de proyecto, la siguiente decisiónimportante es si:

a) Instalar equipos de capacidad suficiente para bombear la totalidad del intervalo decaudales inicial y de proyecto.

b) Prever la posibilidad de ampliar el cárcamo de bombeo cuando sea necesario enel futuro.

La capacidad de un cárcamo de bombeo se puede incrementar instalando rotores ybombas 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 caudaldeban ser impulsadas, las bombas deben proyectarse para funcionar de formacontinua, en la medida de lo posible. Los caudales bombeados varían asígradualmente en pequeños incrementos, a medida que lo haga el agua residual delinfuente, de manera que se drene o alimente a la planta de tratamiento en formaconstante. 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 bombeareste último caudal con la bomba de mayor capacidad fuera de servicio.

Cuando un cárcamo de bombeo de gran tamaño debe funcionar continuamente, sesuelen instalar bombas de velocidad variable, o bien una combinación de bombas develocidad variable constante. También es posible utilizar bombas de velocidadconstante o de dos velocidades, pero éstas producen cambios rápidos, aunque depequeña magnitud, en los caudales impulsados a la planta de tratamiento, los cualespueden afectar a los procesos de tratamiento.

Los cárcamos de bombeo que sirven a redes de alcantarillado combinado puedentener dos grupos de bombas: 1) un grupo para impulsar los caudales en tiempo secoa la planta de tratamiento o al interceptor que los transporta al cárcamo y 2) un grupode bombas de mayor tamaño para impulsar las aguas residuales y pluviales, durantelos periodos de lluvia intensa, al sistema de evacuación de aguas pluviales. Lasbombas de este segundo grupo y su tubería de impulsión correspondiente, debentener capacidad suficiente para evitar la inundación de calles y sótanos. Muchos delos cárcamos de bombeo de este tipo han sido construidos para servir a redes dealcantarillado combinado y descargan al agua pluvial directamente a los cursos deagua sin tratamiento previo.



73

5.6.3 Tuberías de impulsión

Una tubería de impulsión es una tubería que recibe el agua residual descargada porun cárcamo de bombeo y que debe transportarla a presión hasta el punto deevacuación, el cual puede ser otra alcantarilla pero que funciona a gravedad, un

tanque de almacenamiento o una planta de tratamiento. Los aspectos másimportantes del dimensionamiento de una tubería de impulsión son la velocidad decirculación y las pérdidas por fricción. La velocidad debe ser lo suficientemente altapara transportar los sólidos por la tubería de impulsión a los caudales mínimos. Sinembargo, las velocidades elevadas crean mayores pérdidas por fricción y aumentanla altura manométrica total de las bombas. En general, se recomienda una velocidadmínima de 0.6 m/s y aplicar una velocidad de 1.0 m/s para arrastrar aquellos sólidosque 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 deimpulsión y la altura geométrica, se obtiene la curva altura-capacidad del sistema.Esta curva es necesaria para determinar la capacidad de las bombas. La curvarepresenta la altura de carga total que deben vencer las bombas funcionando a losdiversos caudales de proyecto. La curva del sistema es la representación gráfica dela suma de la altura geométrica, las pérdidas por fricción y las pérdidas menorestotales del sistema respecto al caudal (Figura 5.9).

Además de su importancia para la determinación del tamaño de las bombas, la formade la curva del sistema sirve, a menudo, como guía para seleccionar el número debombas y el tipo de accionamiento. Por ejemplo, una bomba única de velocidadvariable (o de dos velocidades) es más adecuada para un sistema con una alturageométrica pequeña y pérdidas por fricción elevadas. A baja velocidad, la carga de labomba se reduce en proporción al cuadrado de la reducción de la velocidad, pero laaltura del sistema se reduce, asimismo, en la misma proporción. Por lo tanto, si seselecciona una bomba para que funcione en un punto próximo al de máximorendimiento a altas velocidades, funcionará cerca del máximo rendimiento avelocidades bajas. En comparación, un sistema que tenga una altura geométricaelevada y pocas pérdidas por fricción es más adecuado para el uso de variasbombas que funcionen en paralelo para el caudal del proyecto. Una reducciónpequeña de la velocidad de la bomba reducirá la carga sobre la misma por debajo dela altura geométrica del sistema.



74

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

La altura geométrica es la diferencia entre las cotas de la superficie libre del agua enla cámara de succión y en el punto de descarga. El nivel del agua en la cámara desucción varía entre los escalones de control de paro y arranque de las bombas y lasuperficie del agua en el punto de descarga puede variar igualmente. Enconsecuencia, la altura geométrica es variable, resultando en una familia de curvasdel sistema que son paralelas. La curva del sistema de altura máxima corresponde almínimo nivel del agua en la cámara de succión y la curva de altura mínima al nivelmáximo en la cámara de succión.

Para calcular las pérdidas por fricción en las tuberías del sistema, es preciso haceruna primera estimación de los diámetros y las piezas especiales por considerar. Elnúmero de bombas debe ser estimado así mismo, por tanteo, y los diámetros de losconductos se seleccionan inicialmente utilizando velocidades comprendidas entre 1 a2.5 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 puederesultar antieconómico.

Pérdidas por razonamientoy 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

A l t u r a , 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 finalidadseleccionar las bombas más adecuadas y definir sus puntos de funcionamiento. Esteanálisis 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 proyectarsistemas de bombeo eficientes desde el punto de vista de consumo energético.

5.7.1 Sistema de una so la bomba

Las curvas características de la bomba ilustran la relación existente entre la alturamanométrica, el caudal, el rendimiento y la potencia al freno para una amplia gamade condiciones de funcionamiento posibles, pero no indican el punto defuncionamiento de la bomba. Este punto se obtiene representando gráficamente lacurva característica de la bomba sobre la curva del sistema. El punto defuncionamiento 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 demasiadoconservador, puede que la bomba funcione en un punto más alejado de su curvacaracterística de lo que se pretende. En casos extremos, ello puede conducir a unapérdida sustancial de rendimiento, a un motor sobrecalentado y posiblemente acavitaciones, lo que puede evitarse si se representan gráficamente las curvas delsistema en las que se utilicen coeficientes de fricción de proyecto (tuberías viejas). Elpunto de máximo rendimiento debe estar cercano al de funcionamiento de proyecto ydentro de la familia de curvas del sistema. En el Ejemplo 6.6 (Capítulo 6) se ilustra eldesarrollo de una curva del sistema y la determinación de punto de funcionamientopara 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 másbombas funcionando en paralelo. Sin embargo, pueden encontrarse casos en que lasbombas trabajan en serie.

5.7.2.1. Funcionamiento en paralelo

En esta situación, se recomienda utilizar el siguiente método de cálculo paradeterminar el punto de funcionamiento de las bombas.

a) Las pérdidas por fricción en las tuberías de succión y descarga de cada bombaindividual no se incluyen en la curva del sistema.

b) En su lugar, estas pérdidas se restan de las curvas características de cadabomba individual y se obtienen unas curvas características modificadas, lascuales 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-capacidaddel 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 conla del sistema proporciona la capacidad total del conjunto de las bombas y laaltura modificada a la que trabaja cada una de ellas. Con el valor de estas alturasen cada una de las curvas características modificadas, se conoce el caudaldescargado por cada bomba, su eficiencia y la potencia del freno necesaria en

esas condiciones de funcionamiento. Para encontrar la altura total a la que trabajacada bomba, hay que desplazarse verticalmente, a caudal constante, desde lacurva característica modificada hasta la curva característica originalcorrespondiente. Las especificaciones de las bombas deben hacerse de maneraque las mismas puedan trabajar a esa altura manométrica. Cada bomba puedefuncionar en diversos puntos de su curva característica, aumentando la altura ydisminuyendo el caudal a medida que va entrando en funcionamiento simultáneootras bombas. Debe hacerse un esfuerzo para limitar los puntos defuncionamiento a los comprendidos dentro de un intervalo de caudales entre el 60y el 120% del punto de máximo rendimiento.

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

Figura 5.10 Desarrollo de la curva característica modi ficada 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

3

Caudal, en

m /s

Alturamanométrica

de la bomba

Pérdidas enla estación,

en m

Altura

manométricamodificada

de la bomba

0.00 20.0 0.0 20.0

0.05 19.4 0.1 19.3

0.10 17.9 0.5 17.4

0.15 15.0 1.1 13.9

0.20 10.6 2.0



77

5.7.2.2. Funcionamiento en serie

Las bombas instaladas en serie con otras existentes se utilizan para incrementar lacapacidad 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 debombeo a fin de superar algún condicionante específico.

Cuando dos o más bombas funcionan en serie, la curva conjunta del sistema seobtiene sumando las alturas de cada bomba para cada caudal. Este procedimientose ilustra en la Figura 5.11B. Cuando se instala una bomba de sobrepresión en unatubería de impulsión alimentada por bombas que funcionan en paralelo, la curvaaltura-caudal del conjunto se obtiene sumando la altura de la bomba de sobrepresióna 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 deeje vertical y succión única y se instalan en la cámara seca con los motoresdispuestos sobre un piso situado por encima de las bombas, a las que se accionanpor 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 seencuentre 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 enfuncionamiento, por lo que, cuando se produce el arranque automático, ésta siemprese llena de agua.

Las bombas deben disponerse alineadas y con separaciones idénticassuficientemente amplias para permitir el acceso y su mantenimiento. Se recomiendaque la separación mínima entre bombas sea de 1 a 1.3 m cuando son pequeñas ydel 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 desucción. La superficie interna de la tapa de inspección debe tener la forma de lavoluta o del codo.

En los puntos superior e inferior de la voluta deben instalarse conexiones de venteo ydrenaje de diámetro no inferior a 75 mm, incluyendo la válvula de conexión dedrenaje. El drenaje de la carcasa y de la zona de juntas debe conectarse al canalgeneral de drenaje del cárcamo.

Puesto que el mantenimiento de la bomba supone, en su mayor parte, lacomprobación de todos sus elementos móviles (rotor, eje, manguito del eje ycojinetes), es indispensable que las bombas sean fácilmente accesibles, lo cual seconsigue cuando el motor está situado en el piso superior y la transmisión se efectúamediante un eje flexible dotado de junta universal. Esta disposición tiene la ventajaque 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 labomba, es preciso extraer el motor para desmontar la bomba. En la Tabla 5.6 semuestran las ventajas y desventajas de la ubicación de los equipos de bombeo en elcárcamo.

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 cd

e



79

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

- Tipos de bombas másespeciales por el contenido desólidos

- Menores excavaciones en laplanta de tratamiento al trataragua impulsada

- Entrada de caudales constantesen la planta pero convariaciones en el tiempo enfunción de las bombasinstaladas y de la capacidad deldepósito

- Tipos de bombas más sencillaspor ser agua tratada

- Mayores excavaciones para la

planta de tratamiento al tenerque emplearse a los niveles deagua de llegada

- Tratamiento de caudalesirregulares, consobredimensionamientoobligado de la planta

- Oscilación de carga importanteen 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 y4.25 m/s. Si la velocidad resultante quedara fuera de este intervalo, lo más probablees que deba seleccionarse otra bomba más adecuada. Cuando las alturasmanométricas son de 30 m o más, se suelen necesitar bombas con velocidades dedescarga superiores a los valores indicados. Se recomienda que el diámetro de latubería de succión sea una o dos veces superior al de la boquilla de succión de labomba y que el del conducto de descarga sea, como mínimo, el doble que el de laboquilla de descarga de la bomba. En la mayoría de las bombas para aguasresiduales, las boquillas de succión y descarga son del mismo tamaño, aunque, enocasiones, 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, porlo que es preciso colocar un reductor excéntrico en la conexión con la boquilla desucción, 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 lasucción. Si este codo no forma parte del suministro, será preciso colocar un codoreductor, preferiblemente de gran radio, en la zona inferior de la bomba. La tuberíadebe incluir una válvula de compuerta situada a continuación del pasamuro de lapared divisoria entre la cámara húmeda y la cámara seca y una junta flexible entre laválvula anterior y la bomba. Esta disposición permite la apertura de la bomba sininundar la cámara seca. El tipo de válvula más adecuado es el de compuerta tipocuña con volante y husillo.



80

Figura 5.12 Bomba de agua residual típica con ampliación concéntrica yreducción 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 embridadode 90º o 45º con una pieza recta, de boca acampanada. Si el diámetro del extremoacampanado es D, el punto medio de la boca debe estar a una distancia de la soleradel cárcamo comprendida entre ⅓ D y ½ D. En ocasiones, el extremo de la tuberíade succión acaba directamente en la pared divisoria.

Es preciso que el extremo de la tubería de succión se encuentre sumergido en todomomento para evitar la entrada de aire por razón del vórtice que se produce cuandoel nivel del agua en el cárcamo de bombeo es bajo. La altura de agua por encima dela boca acampanada es función de la velocidad de entrada. En la Tabla 5.7 seindican las sumersiones requeridas para diversas velocidades de entrada.

Campana deaspiración

Ampliaciónconcéntrica

Reductor excéntrico

Descarga



81

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

Velocidad en la boca desucción de diámetro (D)

Sumersiónnecesaria (S)

m/s m

0.61.01.51.82.12.42.7

0.30.61.01.41.72.152.6


5.9.2 Conducto de descarga

Las velocidades del agua en el conducto de descarga para el máximo caudal debombeo deben variar entre 1.8 y 2.4 m/s. En el extremo de la descarga hay queinstalar 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 yhusillo. La válvula de retención debe ser, necesariamente, de uno de los tipossiguientes: válvula de retención de balanceo, válvula cónica, válvula de disco deinclinación 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 sólidosy la obstrucción de la descarga.

En los cárcamos de bombeo de gran tamaño, situados en las plantas de tratamientoen las que la cota del agua en el canal de descarga varía muy poco, las bombaspueden instalarse de manera que cada una de ellas tenga un conducto de descargaindependiente desprovisto de válvulas, que incluye un sifón, cuya parte inferior debesituarse a un altura mínima de 1 m sobre el nivel máximo del agua en el canal dedescarga y que incorpora una ventosa automática en su parte superior quepermanezca cerrada mientras funcione la bomba y se abra automáticamente cuandoésta pare para interrumpir el sifón y evitar el retorno del agua.

Una disposición alternativa consiste en la descarga sobre unos vertedores, los cualestienen el labio situado por encima del máximo nivel del agua en el conducto dedescarga. Las bombas de alta capacidad y baja altura manométrica incorporan, enocasiones, unas válvulas de retención del tipo clapeta y descargan en un conjunto decámaras independientes que tienen unas mamparas para el control del flujo en lasmismas. Esta disposición es aplicable, asimismo, a los cárcamos de bombeo deaguas pluviales.



82

5.10 PRUEBAS Y MANTENIMIENTO DE LAS BOMBAS

Los controles y ensayos para verificar la calidad y buen funcionamiento de lasmotobombas se llevan a cabo en el sitio de fabricación, y también en el cárcamo debombeo 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 tiempode 30 minutos a una presión doble de la de servicio, con un mínimo de 10 kg/cm 2.

5.10.2 Ensayos hidráulicos

La bomba se probará con agua a su velocidad real de funcionamiento. Se tomaránmedidas que permitan construir las curvas características y compararlas con lasdadas en garantía por el fabricante. Se deben verificar, en particular, los valorescorrespondientes a los puntos de operación definidos en el proyecto. No deberán seraceptadas cifras que no cumplan con requerimientos establecidos.

5.10.3 Ensayos mecánicos

Durante estos ensayos mecánicos se establecerá un diagrama de vibración. Laamplitud 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 lamarcha.

Se probarán los motores según las normas especializadas en esta materia.

Las pruebas por realizar en el cárcamo permitirán verificar si la instalación funcionasin golpes ni fluctuaciones anormales. Deberá ser verificado igualmente el buenfuncionamiento 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 podráutilizar también un tubo Pitot Para los conductos de gran diámetro se usará unmolinete hidrométrico registrador.

5.10.5 Altura manométrica

Se medirá la presión en la succión y en la impulsión, colocando un manómetro demercurio sobre cada uno de los conductos correspondientes. Para presiones máselevadas, se emplearán manómetros metálicos.



83

5.10.6 Potencia absorbida

Se medirá mediante métodos físicos directos, dinamómetros de torsión, o colocandoun amperímetro en serie y un voltímetro en derivación.

5.10.7 Velocidad de ro taciónLa 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 alalineamiento de los ejes respectivos de la bomba y su motor, y al dispositivo deacoplamiento de los mismos, especialmente si se trata de acoplamientos elásticos.

Si bien los motobombas salen de fábrica con una alineación perfecta de loselementos móviles, no siempre llegan al sitio de obra en estas condiciones, y menosaún cuando quedan instalados y unidos a sus tuberías de succión e impulsión.

Los motobombas deberán quedar fijados sobre un macizo de fábrica que poseasuficiente inercia para impedir toda deformación. La sobre elevación mínima delmacizo respecto al suelo será de 10 cm. Se colocarán dispositivos amortiguadorespara evitar las vibraciones del sistema, recomendándose igualmente su instalaciónen 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 elnivel 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 labomba 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 sihay o no humedad. En cualquier caso, detectada la avería, hay que proceder alcambio 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 unacarga de 24 m. Es preciso que el bombeo se divida en 47.3 l/s a una carga total de18 m y se empleé una sola bomba.

Solución:

La curva total para la carga dinámica contra la descarga se grafica como se muestraen la Figura 6.1. Los valores para la curva son obtenidos a partir de

CDT = H L + H F + H V (6.1)donde:

CDT : Carga dinámica totalHL : Carga estática totalHF : Pérdida de carga por fricciónHV : Carga de velocidad (V2/2g)

Se necesitarán como máximo tres bombas (una de ellas de reserva), determine elflujo 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 semuestran en la Figura 6.1. La intersección de la curva característica con la curva decarga-sistema indica que la bomba A puede lograr 47.3 l/s a la CDT de 18 mmientras que la bomba B puede lograr 49.8 l/s a un CDT de 18.6 m. Si se revisan lascurvas de eficiencia para cada bomba, se tiene que la bomba B logrará el flujopresente a una eficiencia mucho mayor que la bomba A. De esta forma se seleccionala 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 yvelocidades son proporcionadas por los fabricantes. Los equipos de manufacturaespecial para satisfacer los requerimientos de un cliente deben ser sometidos a unaprueba 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, llegana 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 = ± 0La 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 superficiedel líquido en una instalación de lodos activados); la longitud de la tubería deimpulsión es de 200 m. El costo de energía eléctrica es de $1.0 peso/kWh. Según losdatos del Observatorio Meteorológico debe preverse como media anual 700 h delluvia. 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 loscálculos 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

T D H , e n m

-4

70

60

50

40 E f i c i e n c

i a ( % ) B

Bomba A

Dos 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 A A



87

6.2.1 Capacidad de transporte del canal de llegada (Figura 6.1) con un ti rante deagua 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 mradio (r) = 0.25/2 = 0 .125 mP = Perímetro mojado, m

A = Área (sección líquida), m2

R = Radio hidráulico, ms = Pendiente del cárcamo

m = Coeficiente de rugosidadk = Coeficiente de velocidadν = 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 =+=+=

π π



89

m087.0642.0

0557.0

P

AR === 295.0== 0.087 R

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

7.45295.035.0

295.0100

m

100k =

+∗=

+=

R

R

sR ∗= k ν 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 elcárcamo 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 líquidollega 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 tiempode 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 líquidollega 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 aproximadapara el dimensionamiento económico.

m212.05.15.1Dw === 0.02Q

La tubería se considera formada de fierro galvanizado φN 8”, cédula 40 (ya que laH man = 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 económiconecesario es:

m106.05.11w == 0.005 D

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

m03.060

100.2 ==

rd h

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

m07.03000

1200 ==

rdTr h



91

6.2.4 Tubería de succión para la bomba de tiempo de lluvias

m16.0d m020.0s/m1

s/m020.0

v

QA 2

3

=+

=→==

2

1

8

π

A

eligiendo tubería de fierro galvanizado φN 6”, cédula 40, y siendo

J = 1:35ν = 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

m11.035

180.3 ==

R rs h

6.2.5 Tubería de succión para la bomba de estiaje:

m. A

dm.s/m

s/m.Q A 080

2

1

8

00501

0050 2

3

eligiendo tubería de fierro galvanizado φN 3”, cédula 40, con:

s = 1:20ν = 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,

m19.020

180.3 ==

Tr rs h .

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 loscaudales máximos de estiaje. Los valores obtenidos son: por tanto, valoresdemasiado altos.

a) En estiaje:

Número de habitantes .1200150

1036005

//150

103600hab

díahabl

Q E tr =

××=

××=

Caudal total diario de aguas residuales:



92

añomdíamhabdíahabl

QT /700,65/1801000

1200//150 33 ==×

=

Duración teórica del bombeo diario:

díahhssl

sldíam /10/3600/5

/1000/1803

=×

×

Costo del bombeo:

3

3m/ pesos107.0

día/m180

kW/ 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

d

h92.1

d 365

h700==diarialluvialadeteóricaDuración

Duración teórica del bombeo diario:

díahhssl

sldíam/92.1

/3600/20

/1000/138 3

=×

×

Costo del bombeo:

3

3/113.0

/138

/0.1/92.11.8m pesos

díam

kW pesosdíahkW =

××

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 sedescargará a un colector. Se requiere un sistema de bombeo con capacidad paraimpulsar 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 parael caudal medio y máximo, respectivamente. Los caudales medio y máximo futurosde 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 habitantesaproximadamente, y a 20 años será de 26,000 habitantes.

Información de proyecto para el Ejemplo 6.3

Valor a 10 años Valor a 20 añosPoblación, habs 15,000 26,000Caudal medio, m3/s 0.044 0.075Caudal máximo, m3/s 0.095 0.15

La tubería de impulsión es de 300 mm de diámetro. Al final del período de diseño de20 años, se estima que la pérdida por fricción en la tubería para el caudal máximosea de 15 m. El desnivel del sistema medido entre el máximo nivel en la cámara desucción y el punto de descarga es de 7 m y la diferencia entre los niveles máximo ymínimo en la cámara es de 1.0 m. Las pérdidas en el cárcamo deben limitarse a 1.3m 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 de1 m entre los niveles máximo y mínimo en la cámara de succión y el caudalmáximo será bombeado a nivel máximo en la cámara, sólo se precisa hacer larepresentación gráfica de la curva del sistema para una altura geométrica de 7.0m.

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

siguiente ecuación.2

3

3

/15.0

/150.7 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

sm

smQmm H

t (6.2)

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

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



94

2

3

3

/15.0

/)15)(62.0(0.7 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

sm

smQmm H t (6.3)

2) Representar gráficamente las velocidades en la tubería de impulsión en eldiagrama de la curva del sistema (Figura 6.2), con ayuda de

2

3

2

3

0071.0

///

m

smQ

m A

smQsmV == (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 curvadel sistema (Figura 6.3). Los caudales medios y máximos son datos delproblema. El caudal mínimo al cabo de 10 años se obtiene de la Tabla 5.5Capítulo 5. Debido a que ambos caudales medios son del orden de 0.05 m3/s, seemplea un factor de 0.25.

Caudal mínimo para el período de 10 años = 0.25 (0.044 m3/s) = 0.011 m3/sCaudal 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 elproblema, se obtienen las siguientes conclusiones:

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

• Tanto los caudales mínimos a los 10 como a los 20 años están por debajode 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 sólidosen el sistema.

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

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

• Debido a que el cárcamo está ubicado en una zona alejada y el caudalbombeado por el mismo no es el principal componente de la totalidad delcaudal que llega a la planta de tratamiento, no hay necesidad de instalar

bombas de velocidad variable y pueden emplearse bombas de una o dosvelocidades. Sin embargo, las bombas a instalar deberán ser capaces debombear el caudal máximo de proyecto con la de mayor capacidad fuerade servicio. Como no se sabe si la cuenca servida tendrá un desarrollosubcrítico completo, el caudal al cabo de 10 años debe ser bombeado conel 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 unade ellas con capacidad para el caudal futuro de proyecto. A fin de que elbombeo del caudal intermedio se haga de forma eficiente, deben usarsebombas 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 futurode 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 /15.03=

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

A l t u r a m a n o m

é t r i c a

t o t a l , e n 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


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

mmcárcamoelen pérdidasm H 3.233.12222 =+=+=

2. Seleccionar la bomba del catálogo del fabricante.

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

Tabla 6.1 Características de la bomba seleccionadaPunto de

funcionamientoCaudal m3/s Altura m Rendimiento %

Válvula de descargacerrada

60% PMR(1) NominalPMR120% PMRSobrecarga

0.000

0.0600.1000.1500.1800.2150.228

33.5

29.026.823.321.218.216.4

..

..6876787670

(1) Potencia Máxima Requerida

3. Obtener la curva característica modificada de la bomba. La curva se obtiene porresta de la curva característica original y de las pérdidas que se producen en elcárcamo 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 entrelos caudales y pueden calcularse mediante la siguiente relación:

Pérdidas en el cárcamo para un caudal dado2

3 /15.03.1 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

sm

Qm

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

Tabla 6.2 Cálculos de alturas manométricas y pérdidas en el cárcamoCaudal, m3/s

Característica 0.0 0.6 0.1 0.15 0.18 0.215 0.228 Altura manométrica de la bomba,

mPérdidas en el cárcamo, m

Altura manométrica modificada dela bomba, m

33.5

033.5

29.0

0.228.8

26.8

0.626.6

23.3

1.322

21.2

1.919.3

18.2

2.715.5

16.4

3.013.4



97

4. Representar gráficamente las curvas características, original y modificada de labomba 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 elpunto de caudal 0.15 m3/s sobre la curva del sistema para la tubería vieja y a caudalde 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 necesariaen estas condiciones se determina por medio de la ecuación siguiente:

p

t i

E

QH P

γ = (6.5)

0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

50

40

30

20

10

0

r p m

r p m

r p m

Punto de fun-cionamientode la bomba

Altura de proyectopara el sistema

Curva del sistema(tubería vieja)


Curva característicade la bomba

Curva característicamodificada de la bomba


é t r i c a

t o t a l , e n m

Caudal, en m /s3

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0








98

donde:P i : Potencia absorbida, kW, kN m/sE p : Rendimiento de la bomba, adimensionalγ : Peso específico del agua, kN/m3 Q : Caudal, m3/s

H t : Altura manométrica total, m.

kW msmmkN

Pi 6.4778.0

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

==

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

kW kW

Pm 539.0

6.47==

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

consumida:

d

h

sm

sm

d

hento funcionamidehorasde Número 97.5

/177.0

/044.0)24(

3

3

==

d

kWh316)kW53)(

d

h97.5(consumidaEnergía ==

6. De la curva del sistema puede deducirse que la bomba está muysobredimensionada 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 rpmPunto de

funcionamientoCaudal

m3/s Altura

manométricam

Caudalm3/s(a)

Alturamanométrica

m(b)

Caudalm3/s(a)

Alturamanométrica

m(b)

Válvula de

descargacerrada60% PMRNominalPMR120% PMRSobrecarga

0.0000.0600.1000.1500.1800.2150.228

33.528.826.222.019.315.513.4

0.0000.0450.0740.1100.1340.160

…

18.515.914.512.210.78.6…

0.0000.0360.0600.090

0.1009……

12.210.59.58.07.0……

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

2/N22



99

7. Representar gráficamente las curvas modificadas para velocidad reducida sobrela curva del sistema (véase Figura 6.5) y analizar el sistema de bombeoresultante. 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 sistemapara tubería vieja. El rendimiento es del orden de un 73% (extrapolando lacurva de 1,170 rpm para los puntos correspondientes). Este punto defuncionamiento es, esencialmente, el mismo que el del caudal puntaintermedio de 0.095 m3/s. La velocidad en la tubería de impulsión es de 1.3m/s, la cual es suficiente para arrastrar los sólidos depositados durante losperiodos en que la bomba no funciona.

A 870 rpm, la bomba descarga 0.11 m3/s a 12.9 m de altura con unrendimiento 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 rendimientode 68% para la tubería vieja y 0.07 m3/s a 9.2 m de altura y 71% para latubería nueva. La velocidad resultante en la tubería de impulsión es del ordende 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 bombasfuncionarán periódicamente a mayor velocidad, no constituye un problema.

8) Determinar la potencia de la bomba. Suponer que se aplica la curva del sistemapara 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 bombeartanto los caudales intermedios como los futuros de proyecto.

Alternativa A-2. Instalar, inicialmente, un motor de 870/705 rpm que proporcioneun bombeo adecuado con los caudales intermedios y reemplazarlo cuando serequiera bombear los caudales futuros de proyecto.

a) Alternativa A-1. Todos los caudales intermedios se pueden bombear a 870rpm.



100

d

h6.9

s/m11.0

s/m044.0)

d

h24(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 el20% restante a 870 rpm.

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

- A baja velocidad:

d

h12

)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:

d

h9.1

)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 = 164kW.

Solución (Alternativa B).

1. Determinar el punto de funcionamiento de las bombas.

a) El caudal en el punto de funcionamiento es:

s

m075.0

2

s/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 conlas siguientes características cuando trabaja a 1,170 rpm:



101

Punto defuncionamiento

Caudal m3/s Altura m Rendimiento %


60% PMRNominalPMR120% PMRSobrecarga

0.000

0.0250.0500.0750.0850.1000.108

33.5

29.026.523.321.819.217.4

..

..6875767269

3. Obtener la curva característica modificada de la bomba. Las pérdidas de laestación en el punto de funcionamiento son de 1.3 m. En la Tabla adjunta seresumen los cálculos necesarios.

Caudal, m3/sCaracterística 0.0 0.025 0.05 0.075 0.085 0.1 0.108

Altura manométrica de labomba, 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 labomba 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 caudalcorrespondiente a una altura dada en la curva característica modificada de labomba y doblando el caudal a esa altura cuando las dos bombas trabajan enparalelo.

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 lasbombas se calculan a continuación.



102

1,170 rpm 870 rpm 705 rpmPunto de

funcionamientoCaudal

m3/s Altura

manométricam

Caudalm3/s

Alturamanométrica

m

Caudalm3/s

Alturamanométrica

m

Válvula dedescargacerrada60% PMRNominalPMR120% PMRSobrecarga

0.0000.0250.0500.0750.0850.1000.108

33.529.026.523.321.819.217.4

0.0000.0190.0370.0560.0630.0740.080

18.515.914.312.211.09.38.1

0.0000.0150.0300.0450.051

……

12.210.59.48.07.2……

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

Figura 6.5 Curva del sis tema, alternativa B, para el ejemplo 6.4

2 b o m b a s

m

a 1 p

1 7 0 r

r p m

r p m

Curva caracterís-tica de la bomba




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


é t r i c a

t o t a l , e n m

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0




Caudales intermedios (10 años), en m /s3

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

r p m



103

De acuerdo con ello, se puede concluir lo siguiente:

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

Paso 1. Una bomba, baja velocidad (0.046 m

3

/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 seríanecesario para bombear los caudales intermedios. En consecuencia elfuncionamiento a 705 rpm no es adecuado por lo que esta alternativa debedesecharse.

b) Si se selecciona la velocidad de 870 rpm, la secuencia de funcionamiento delas 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% derendimiento)Paso 3. Dos bombas, alta velocidad (0.175 m3/s a 19.5 m y 76% derendimiento).

8. Determinar la potencia de la bomba y la energía consumida cuando funcionasobre la curva del sistema para la tubería nueva.

a) La potencia necesaria para el funcionamiento de la bomba en el paso 1 es10.7 kW, suponiendo un rendimiento del motor del 86%.

( )( )( )kW

msmmkN Pi 2.9

72.0

0.9/075.0/81.933

== kW kW

Pm 7.1086.0

2.9==

b) La potencia necesaria para las dos bombas (paso 2) es 25.8 kW, suponiendoun rendimiento del motor del 86%.

( )( )( )kW

msmmkN Pi 22.22

745.0

5.13/125.0/81.93

== kW kW

Pm 8.2586.0

22.22==

c) La potencia necesaria para las dos bombas (paso 3) funcionando a altavelocidad para la curva del sistema con tubería nueva es 51.21 kW,suponiendo un rendimiento del motor del 86%.

p

t

i E

QH P

γ =



104

( )( )( )kW

msmmkN Pi 04.44

76.0

5.19/175.0/81.9 33

== kW kW

Pi 21.51

86.0

04.44==

9. Comprobar el consumo de energía para los caudales intermedios. Puesto que ladescarga 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 sebombea a baja velocidad y 15% a alta velocidad. En base a este supuesto laenergía consumida a baja velocidad es 148.8 kWh/d y a alta velocidad 31.2kWh/d, totalizando 180 kWh/d.

Costo comparativo de alternativas1. Comparación de los costosde energía de las alternativas

Alternativa A-1 A-2 B

Energía consumidakWh/d

200 170 180

a) El ahorro de la alternativa A-2 sobre la A-1 es de 30kWh/d es decir, 4073pesos/año para un costo supuesto de 0.372 pesos/kWh. El ahorro durante elperíodo intermedio (10 años) basado en una tasa de interés compuesto anualdel 8% es aproximadamente, 59,520 pesos. El costo de reposición de unmotor, 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 1,358pesos/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: construcciónde un edificio de menor tamaño, ya que hay que instalar sólo dos bombas enlugar de tres; menor costo de mantenimiento de las dos bombas frente al de tresy control del sistema más sencillo.

2. La ventaja de la alternativa B sobre la A-2 reside en que los equipos instaladostienen 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 bombapara 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 lasbombas, suponer que la altura geométrica en este ejemplo es tres cuartas partesde la altura manométrica total en el punto de funcionamiento y, asimismo, quehay una disminución correspondiente de las pérdidas por fricción, tal como la quepuede ocurrir con una tubería de impulsión de menor longitud. Las curvas delsistema, en este caso, serían las mostradas en las Figuras 6.6 y 6.7. Comopuede 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 puedeutilizarse porque la altura geométrica del sistema es mayor que la de la bomba aválvula 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), estano debe trabajar en continuo a baja velocidad. En esta alternativa, el bombeo de

los caudales intermedios se produce a bajo rendimiento y, en consecuencia, esabomba no debe utilizarse.

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

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



Curva del sistema(tubería nueva)r p m

r p m 7 0 5 r p m

Altura del sistemade proyecto

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

A l t u r a m

a n o m

é t r i c a

t o t a l , e n m

Caudal, en m /s3

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0








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 instalarinicialmente dos bombas (una en reserva) para bombear los caudales intermedios einstalar una tercera en el futuro cuando los caudales que se presenten excedan losprevistos.

Figura 6.7 Curva revisada del sistema, alternativa B (func ionamiento de dosbombas)

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. LaconFiguración 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 unsistema de control de niveles y que la separación a mantener entre cada escalón decontrol es de 0.15 m.




Dos bombas a 1170 rpm

1 1 7 0 r p m

r p m

r p m

50

40

30

20

10

00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25


é t r i c a

t o t a l , e n m

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0



Caudales intermedios (10 años), m /s

3


Caudal, en m /s3




107

Medio MáximoCaudal estimado a 10 años m3/s: 0.0044 0.095Caudal 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 constade dos bombas de dos velocidades y una tercera de reserva. El intervalo decontrol 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 labomba está situada en la cota 51.4 y el nivel mínimo debe estar por encima deesa cota; es decir en la cota 51.5 m. La primera bomba, en la etapa I, se paracuando 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 seponen 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 decontrol de 0.15 m, se pueden establecer las siguientes cotas para los arranques:

Arranque de la primera y segunda bomba (alta velocidad) 52.50 mSeparación -0.15 m

Arranque de la primera y segunda bomba (baja velocidad) 52.35 mSeparación -0.15 m

Arranque de la primera bomba (baja velocidad) 52.20 m

5. Establecer las cotas de los puntos de paroParo de la primera bomba 51.50 mSeparación 0.15 m Paro de la primera y segunda bomba (baja velocidad) 51.65 mSeparación 0.15 mParo 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 elevadoy 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 bombasy otros equipos instalados en la cámara de succión. En este ejemplo, el niveldebe de situarse para evitar el descenso del agua en la cámara de succiónpor debajo de la parte inferior de las rejas.

d) Los niveles de los paros de alarma y emergencia por bajo nivel se establecencomo 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 eloperador 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 paraun sistema de una sola bomba.

Un caudal de 0.35 m3/s de agua residual de una red de alcantarillado ha debombearse 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 lade impulsión es de 0.45 m de diámetro y 770 m de longitud; ambas tuberías son defundición. La altura geométrica de succión es 1 m y la de elevación 21 m. Desarrollaruna curva del sistema para caudales comprendidos entre 0.0 y 0.5 m3, Aunque en laFigura 3.3, Capítulo 3, se muestran dos codos a 45º, suponer que en la tubería deimpulsión existen cinco codos. Para el cálculo de la pérdida en la abertura de succiónsuponer un coeficiente de 0.2.

Si una bomba con sección y boquilla de descarga de 350 mm que funciona a 1150rpm tiene las características indicadas en la Tabla adjunta, determinar el caudalproducido por la bomba cuando funcione para la curva del sistema. Asimismo,

Cota del piso

base 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

51.35

51.2

52.8

51.8

Funcionamientode la alarma denivel máximo

Paro de emergenciade nivel mínimo

Funcióncota, m Funcióncota, m Funcióncota, m Funcióncota, m

E t a p a

1

P r i m e r a

b o m

b a

b a

j a v e

l o c

i d a

d

E t a p a

1

P r i m e r a

b o m

b a

b a

j a v e

l o c

i d a

d

E t a p a

1

P r i m e r a

b o m

b a

b a

j a v e

l o c

i d a

d

A l a r m a

B o m b a d e r e s e r v a

a l t a v e l o c i d a d

Función de control



110

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

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

0.000.100.150.200.250.300.350.400.45

40.039.0...

36.6...

32.5...

23.013.5

......77.080.683.484.684.682.675.0

Solución:

1. Desarrollo y representación gráfica de la curva del sistema. La alturamanométrica total para los diversos caudales se determina mediante la ecuaciónsiguiente, en la que la pérdida de altura de velocidad se considera como unapérdida menor.

md fd ms fsgeomt hhhh H H ∑++∑++= (6.6)

a) La altura geométrica es

mmmhh H sd geom 20121 =−=−= (6.7)

b) Las velocidades en las tuberías de succión, y en la descarga en las boquillasde la bomba para el caudal de 0.35 m3/s son las siguientes

smm

smV d /20.2

)45.0)(4/(

/35.02

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

msm x

sm

g

V s 161.0/81.92

)/78.1(

2 2

22

== (6.8)

f = 0.017 (del Diagrama de Moody)



111

mmm

m

g

V

D

L f h s

fs 022.016.05.0

4017.0

2

2

==×= (6.9)

• Las pérdidas menores Σhms son:

Pérdida de embocadura (boca acampanada) = mg

V s

032.0161.02.022.0

2

=×=

Pérdida en codo = mg

V s 032.0161.02.0

22.0

2

=×=

Válvula de compuerta (totalmente abierta) = mg

V s 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 laconexión de la tubería de succión con la boquilla de la bomba) es:

mmsm

sm

g

V s 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

sm

g

V s 247.062.19

84.4

/81.92

)/2.2(

2 2

22

==×

=

f = 0.018

mmm

m

g

V

D

L f h d

fd 608.7247.045.0

770018.0

2

2

==×=

• Las pérdidas menores son Σhmd:

Válvula de retención (totalmente abierta) = mmg

V d 62.0247.05.2

25.2

2

=×=



112

Válvula de compuerta (totalmente abierta) = mmg

V d 02.0247.007.02

07.02

=×=

Codos (5 a 0.2 cada uno) = mm

g

V d 247.0247.00.1

2

0.12

=×=

Pérdida en la descarga = mmg

V d 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 paraconectar la boquilla de descarga de la bomba con tubería de impulsión) es:

m042.0s/m81.9x2

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

g2

)VV(4.0

2

22

21 =−

=−

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 laspérdidas 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 (suponiendoconstante 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 20.00.10 0.286 0.082 0.730 20.0 20.70.20 0.571 0.327 2.912 20.0 22.90.30 0.857 0.735 6.544 20.0 26.50.40 1.143 1.306 11.629 20.0 31.60.50 1.429 2.041 18.173 20.0 38.2

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



113

Figura 6.9 Curva del s istema para el ejemplo 6.5.

2. Determinar el caudal, altura manométrica y rendimiento de la bomba cuandofuncione con la curva del sistema desarrollada en el paso 1.

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

b) El punto de intersección de la curva característica de la bomba con la delsistema es el punto de funcionamiento de la bomba. Para ese punto se tienenlos siguientes valores:

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

3. Determinar la velocidad de giro, la altura y la eficiencia de la bomba cuando éstaimpulsa 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 Hes 23.0 m.

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

2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

N N

HH

N N

QQ ==

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

Eliminando N1 y N2 de las ecuaciones anteriores se obtiene:

2

1

2

2

1

2

Q

Q

H

H=

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

Determinación del valor de la constante k.

5

2

23 m

s575

)s/m2.0(

m0.23k ==

Determinar al menos dos puntos sobre la parábola utilizando la ecuación H2=575Q22:

Q2 = 0.1 m3/s H2 = 5.75 mQ2 = 0.15 m3/s H2 = 12.9 mQ2 = 0.25 m3/s H2 = 35.9 m

Representar gráficamente la parábola como se indica en la Figura 6.9 y determinarlas coordenadas de su intersección con la curva característica de la bomba a 1,150rpm. 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 defuncionamiento a velocidad reducida.

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

rpm927s/m248.0

s/m2.0xrpm150,1

Q

Q N N

3

3

1

212 ===



115

La eficiencia en el nuevo punto de funcionamiento se supone igual a la del puntocorrespondiente en la curva característica dada de la bomba. Por lo tanto, elrendimiento 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 degran tamaño que ha de impulsar el agua residual a la planta de tratamiento medianteuna 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 elmedio (2.0 m3/s). Los caudales futuros se han estimado en un 50% superior a losiniciales. 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 proyectose ha estimado en 6.0 m. Las pérdidas iniciales serán el 60% de las futuras debido aque 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 delas bombas (condiciones futuras). La altura geométrica es 14 m para el máximo nivelde la cámara de succión y de 16 m para el nivel mínimo. Las bombas tendrán uncontrol automático o manual entre ambos niveles.

Solución:

1. Tabular los caudales de proyecto en m3/s.

Caudal Mínimo Medio MáximoInicialFuturo

Máximo inicial

0.400.60---

1.01.5---

2.03.02.5

2. Representar gráficamente la curva del sistema y los diversos puntoscorrespondientes al caudal y las velocidades en la tubería de impulsión (Figura6.10). La curva del sistema debe incluir, asimismo, la curva mínimacorrespondiente a la tubería nueva para asegurar que no se presentaránproblemas. La curva del sistema se representa utilizando la siguiente relación:

a) Condiciones futuras con tubería vieja:

2

3 /36 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

sm

Qmgeométricaaltura H t

b) Condiciones iniciales con tubería nueva:



116

2

3 /3)6)(6.0( ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

sm

Qmgeométricaaltura H 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 ypérdidas por fricción bajas.

b) El caudal mínimo inicial es bombeado con una sola bomba que trabaja en elnivel mínimo de la cámara de succión (la mayor altura geométrica). En estascondiciones, la bomba debe ser capaz de impulsar 0.4 m3/s a una altura de16.1 m, más las pérdidas en el cárcamo.

c) El caudal máximo inicial de 2.5 m3/s será bombeado con una o más bombasfuncionando el nivel máximo de la cámara de succión (curva mínima delsistema). En consecuencia, la altura de proyecto correspondiente a estecaudal 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 develocidad variable y constante. En estas condiciones, la primera bomba,trabajando a su velocidad mínima, no deberá impulsar un caudal superior a lamitad del correspondiente a su velocidad máxima. De esta manera, el sistemaestará formado por: 1) la primera bomba de velocidad variable, funcionandoentre el 50% y el 100% de su capacidad, y 2) dos bombas de velocidadvariable 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 tresbombas trabajan simultáneamente producen del 200% (50 + 50 + 100) al300% de la capacidad de una de ellas.

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

• El punto de funcionamiento para las dos bombas es:

masmsm

5.19/25.1

2

/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 bombasde capacidad superior a 0.6 m3/s es del orden del 90% y ello para unavelocidad específica de aproximadamente 60, lo cual exige un rotor dentro delintervalo 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 quesu punto de funcionamiento esté situado a la derecha del de máximorendimiento en la curva característica.

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

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


Caudal,m3/s

Al tura,m

Rendimiento,%


60% PMRPMR

Nominal120% PMR

0.000.500.721.201.251.43

31.128.226.520.519.515.8

...

...70858479

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 (705rpm):


Caudal,m3/s

Al tura,m

Rendimiento,%


600% PMRPMR

Nominal

120% PMRSobrecarga

0.000.250.460.780.83

0.961.00

26.923.522.6

200.119.5

16.514.9

----76

86.586

8177Nota: 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 enla voluta = 590 mm.

5. Obtener las curvas características modificadas de las bombas; las pérdidas en elcárcamo para el punto de funcionamiento son de 1.3 m.



118

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

Caudal, m3/sCaracterística

0 0.5 0.72 1.2 1.25 1.43 Altura manométrica de la

bomba, mPérdidas en el cárcamo, m Altura manométricamodificada de la bomba, m

31.10

31.1

28.20.2

28.0

26.50.4

26.1

20.51.2

19.3

19.51.3

18.2

15.81.7

14.1

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

Caudal, m3/sCaracterística

0 0.25 0.46 0.78 0.83 0.96 1.0 Altura manométrica de labomba, m

Pérdidas en el cárcamo, m Altura manométricamodificada 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 s istema



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 m

3

/s.Solución:

Una elección para el cárcamo de bombeo es la tubería de acero dúctil alineada concemento y adecuada para una velocidad de 2.5 m/s, lo cual es lo suficientemente altapara minimizar el tamaño y costo de válvulas y otros y lo suficientemente bajo paraevitar 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

ν ν (6.10)

22

17.025.1

213.0m

mrequerida Area ==

Se eligen 0.45 m de tubería: A = 0.172 m2

sm A

Q/33.2

172.0

4.0===ν (6.11)

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

87.4

85.1

700,10 −⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ = DC

Qh f (6.12)

( ) 87.4

85.1

468.0120

4.07.10

−⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ = f h 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

real

tabla f real f 1000/2.11344.0

4.05.8

85.185.1

4.6

4.6 =⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ = (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 cuales insignificante.

Para el transporte principal, una velocidad cercana a 2 m/s parece ser económicacuando 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 Tablasiguiente a 0.5 m la tubería cumpliría las condiciones.

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

Tamañonominal

(mm)

Diáme-tro

exterior(mm)

Paredde

acero

Forrode

morte-ro

Diáme-tro

(mm)

Área(m2)

Descarga,Q

(m3/s)

Pérdidade carga,

h f (m/1000

m)

Tube-ría

kg/m

75100

150200250300350400450500600750900

105012001350

101122

175230282335389442495549655813973

113012901450

7.878.13

8.649.149.6510.210.710.911.211.411.913.014.7

16.518.320.6

1.591.59

1.591.591.591.592.382.382.382.382.383.183.18

3.183.183.18

82102

155208259312363415468521627781937

109012501550

5.24E-38.25E-3

1.88E-23.41E-25.29E-27.63E-21.03E-11.35E-11.72E-12.13E-13.08E-14.79E-16.90E-1

9.35E-11.22E+01.55E+0

1.05E-21.65E-2

3.76E-26.82E-21.06E-11.53E-12.06E-12.71E-13.44E-14.26E-16.17E-19.57E-11.38E+0

1.87E+02.44E+03.09E+0

6650

31221714129.88.57.56.14.73.8

3.22.72.4

16.220.6

31.944.858.373.389.5104120136170229313

408517652

De acuerdo con el fabricante, el espesor de la pared es de 9.1 mm. Se asume que elcemento sea de doble espesor. Los valores del diámetro exterior en la Tabla anteriorson 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

4.0

700,1087.4

85.1

=⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =

−

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 deenergía 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 = NPSH A, la ecuación 6.14 puede escribirse como laecuación 6.15.

tecons H

NPSH

t

R tan==σ (6.14)

t

vapor atms

ms fss

H

PP

g

V hhh

γ γ σ

−+−∑−−=

2

2

(6.15)

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

t

vapor atm

s

H

PP H

γ γ σ

++= (6.16)

Entonces

t

vapor atm

t s H

PP

H H γ γ

σ

+−=

γ γ σ

vapor atm

t s

PP H H +−=

2. Introduciendo los valores conocidos y resolviendo para Hs:

σ = 0.3

Ht = 40 mPatm = 101.3 kN/m2 a 25 ºCPvapor = 3.17 kN/m2 a 25 ºCγ = 9.78 kN/m3 a 25 ºC

mmmmkN

mkN

mkN

mkN m H 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 respectoal eje del rodete de la bomba debe de ser de 2 m. Por tanto, el eje del rodete debesituarse a un mínimo de 2 m por debajo del nivel del agua en el pozo de succión.



123

BIBLIOGRAFÍA

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

OTROS SISTEMASDE UNIDADES

SISTEMA INTERNACIONALDE UNIDADES (SI)SE CONVIERTE AUNIDAD SÍMBOLO MULTIPLICADO

POR UNIDAD SÍMBOLOLONGITUDPie pie, ft.,‘ 0.3048 metro m

Pulgada plg., in, “ 25.4 milímetro mmPRESIÓN/

ESFUERZOKilogramofuerza/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 PaFUERZA/ PESOKilogramo fuerza kgf 9.8066 Newton N

MASALibra lb 0.453592 kilogramo kgOnza oz 28.30 gramo gPESO

VOLUMÉTRICOKilogramofuerza/m3

kgf /m3 9.8066 N/m3 N/m3

Libra /ft3 lb/ft3 157.18085 N/m3 N/m3 POTENCIACaballo depotencia,

Horse PowerCP, HP 745.699 Watt W

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