TPN6 Zarazaga Alvarez

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SANTIAGO DEL ESTERO

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGIAS

Ingeniería Sanitaria

Trabajo Practico Nº6

La Cañada

Alumnos: Álvarez Escalada Pedro

Zarazaga Gonzalo

U.N.S.E.-F.C.E y T. Ingeniería Sanitaria –Trabajo Practico Nº6, La Cañada-2009

Alumnos: Álvarez Escalada Pedro, Zarazaga Gonzalo

Estación de Bombeo de Líquidos Cloacales

Al proyectar un sistema de saneamiento, es a veces necesario concentrar las aguas negras en una zona baja, en un punto adecuado, desde el cual pueden ser elevadas por bombas. En la construcción de cañerías cloacales en zonas de topografías planas (caso de Santiago del Estero), la pendiente que se requiere para lograr las velocidades adecuadas, exige excavaciones profundas. Algunas veces, es mas económico elevar las aguas negras por medio de equipos de bombeo, que seguir construyendo cañerías con excavación profunda. En conclusión, la función de la estación de bombeo es elevar el líquido a través de bombas y enviarlo por cañerías (impulsión) para ser tratado o simplemente evacuado.

Por ser la estación de bombeo una obra importante dentro del sistema de saneamiento, que requiere una infraestructura adecuada y una instalación electromecánica de importancia, es relevante el aspecto económico, cuando se debe realizar el diseño de la misma.

Según la experiencia, el costo de estaciones de bombeo para períodos de 10 años o mayores de operación, está distribuido de la siguiente manera:

Construcción de la instalación 40 % Equipo 30 % Operación 30 %

El ahorro que se produce al proyectar adecuadamente una estación de bombeo, es sobre los ítems construcción y operación.

Por la elección de una operación de secuencia alternativa de dos o más bombas del mismo tamaño, podemos reducir ambos considerablemente. Por el menor volumen requerido del pozo se reduce el costo de construcción y el menor costo que presenta la operación.

El costo de operación puede ser reducido si se mantiene el caudal de entrada más regular y óptimo respecto a la capacidad de bombeo. Por la eliminación de exceso de capacidad de bombeo también se reducen las pérdidas por fricción, las que son proporcionales al cuadrado de la velocidad, por ende del exceso de capacidad.

Si la fluctuación del caudal de entrada es grande, por ejemplo en el caso de estaciones de bombeo pluvio–cloacales, deben combinarse bombas de gran y pequeña capacidad en la misma estación.

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Diseño y Dimensionamiento de Estaciones de Bombeo

La estimación de la capacidad de almacenaje de un pozo de aspiración es crítica pues ella afecta:

1. El tiempo durante el cual el líquido permanecerá retenido en la estación2. La frecuencia en la operación de los equipos de bombeoEl volumen del pozo debe ser lo más pequeño posible para evitar la septización del líquido.

Además, debe ser lo suficientemente grande para permitir que los períodos entre arranques sucesivos de los equipos de bombeo sean tales que no produzcan recalentamientos en los bobinados del motor eléctrico.

Desde un punto de vista netamente mecánico sería deseable que la bomba operara continuamente, o por largos períodos pero tal situación no es compatible con el mantenimiento de condiciones aeróbicas en el líquido cloacal si de ello resultara un largo período de retención.

Desde un punto de vista ideal, sería óptimo contar con equipos de bombeo de velocidad variable que pudieran sacar en todo momento un caudal igual al que ingresa. Tal situación no es practicable.

Los resultados deseables pueden lograrse con un mínimo de objeciones, excepto para grandes instalaciones, si el dimensionamiento del pozo es tal que para cualquier combinación entre el caudal afluente y el caudal bombeado, el ciclo de operación de cada bomba comprendido entre dos arranques sucesivos sea mayor de 5 minutos y la permanencia máxima no exceda 30 minutos (en Santiago conviene tomar 20 minutos ya que debido a las altas temperaturas el líquido septiza más rápidamente).

Puede demostrarse matemáticamente que la duración del ciclo de operación tiene una variación parabólica y que el ciclo de menor duración ocurre cuando el caudal afluente es mitad del caudal bombeado. Por supuesto que para que se produzca un ciclo que incluye un lapso en que funciona la bomba (tiempo de vaciado del pozo) y un lapso en que la bomba está detenida (tiempo de llenado del pozo), es condición indispensable que Q de bombeo sea mayor que caudal afluente

Llamamos V al volumen útil del pozo de aspiración (en litros) limitado por los niveles de arranque y de parada de las bombas y T al tiempo total transcurrido entre dos arranques sucesivos

(1)

Donde: tll: tiempo de llenado

tb: tiempo de bombeo

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Si reemplazamos tII y tb tenemos:

(2)

Donde:

T: Tiempo transcurrido entre dos arranques sucesivos, es decir, el tiempo de ciclo de la bomba en segundos

V: El volumen del sumidero efectivo, es decir, el volumen entre los niveles de arranque y parada en litros.

Qafl: Caudal afluente, el flujo que entra en la estación de bombeo [lts/seg]

Qb: Caudal de bombeo, la capacidad de la bomba [lts/seg]

Sacando factor común resulta una nueva expresión

(3)

Si llamamos

(4)

La relación entre y (x) puede variar entre casi 0 a casi 1.

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x

0,1 11,11

0,2 6,25

0,3 4,76

0,4 4,17

0,5 4,00

0,6 4,17

0,7 4,76

0,8 6,25

0,9 11,11

Se observa que para x = 0,5 se tiene la situación más desfavorable. Mientras mayor sea la relación x, menor será el volumen.

Volumen mínimo entre el arranque y el paro, que se obtiene de la formula:

(5)

Por norma se lo debe mayorar con un coeficiente de seguridad C1 = 1.15.

El nivel de arranque (máximo) no superará la cota de intradós del conducto afluente, evitándose de esa manera que el mismo entre en carga. El nivel de parada (mínimo) estará por encima del cuerpo de las bombas para prevenir desprendimiento de aire y gases por deficiencias en las condiciones de aspiración.

Los pozos de aspiración contarán con un acceso adecuado para inspección y limpieza. Se facilitará la iluminación y la ventilación cuando deba entrar un operario por cualquier causa. Cuando el pozo sea totalmente cerrado, se colocarán ventilaciones que faciliten la entrada y salida del aire de acuerdo a las

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variaciones de nivel dentro del pozo. Además se proveerán aberturas que permitan retirar los materiales retenidos por las rejas.

Existen dos limitantes para el diseño:

a- El tiempo de llenado Tll < 30’, ya que en ese período empieza la descomposición de materia orgánica, y como aquí no se puede sedimentar ni producir olores, entonces se debe respetar ese tiempo mínimo.

b- El tiempo total T > 6’ para evitar el recalentamiento del motor.

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Cálculo del volumen de la cámara

Datos:

Adoptamos:

El caudal afluente es Q = QF (caudal máximo horario futuro a 20 años obtenido en el T.P. Nº 5)

El caudal de bombeo es:

Tomando un tiempo T = 6 min (10 arranques por hora), entonces el volumen útil del pozo es:

Adopto

Por recomendación de la norma mayoramos el volumen por un coeficiente .

El volumen mayorado será:

Diámetro Económico de la Cañería de Impulsión

Datos

Material de tubería: PVC

Caudal (máximo diario): QF = 0,0188 m3/s

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Tiempo de bombeo diario: Tbd = 12 hs.

Caudal de bombeo: Qb =1,10·QMd20 = 0,0207

Longitud de la cañería: L = 2000 m

Vida útil: n = 20 años

Interés anual: i = 15 %

Costo unitario de excavación: C.U.E. = 10 $/m3

Cota de entrada: Hent = 152,50 m

Pendiente: P% = 0,01 %

Cota de salida: Hsal = 152,3 m

Peso específico del agua: γagua = 1000 kg/m3

Viscosidad cinemática: μ=1,00E-06 m2/seg

Rendimiento: η=0,7

Tiempo de bombeo anual: Tba = Tbd∙365 = 4380 hs/año

*Costo unitario de energía: CEner = 0,309 $/Kwh

Rugosidad absoluta: k = 0,000007 m

Factor p/Ec.Hazen-Williams (PVC): c = 150

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* Cuadro tarifario a aplicar por EDESE S.A , correspondiente al trimestre Mayo - Julio de 2009

Tarifa Nº1 (pequeña demandas <10kw)

T.1.G. Uso general - T.1.G2. Consumo bimestral mayor a 1600 Kwh. e inferior o igual a 4000 Kwh.

Cargo fijo (haya o no consumo):

Cargo variable: Cargo total:

Øext

[mm]

Precio de

tuberia

($/m)

Costo de excavacio

n ($/m)

Costo Tuberia +

Excavación ($/m)

Costo de inversión

($)

Costo de amortización

($)

J (m/m)

∆H (m)

N (kW)

E (kW hs)

Costo de energía ($/kW

hs)

Costo de energía

consumida total ($)

Costo total ($)

63 8,88 6,57 15,45 30890 4634 0,7478611495,722 434,8089 1905726 0,309 588869,2 593503

75 12,05 6,63 18,68 37350 5603 0,317211 634,423 184,4277 808329,1 0,309 249773,7 255376

90 18,2 6,70 24,90 49800 7470 0,131442 262,884 76,4208 334944,9 0,309 103498,0 110968

110 25,48 6,80 32,28 64560 9684 0,049003 98,007 28,4907 124872,0 0,309 38585,4 48269

125 36,89 6,88 43,77 87530 13130 0,026433 52,866 15,3681 67357,1 0,309 20813,3 33943

140 51,01 7,65 58,66 117310 17597 0,015172 30,344 8,8210 38661,5 0,309 11946,4 29543

160 66,81 7,76 74,57 149130 22370 0,007925 15,851 4,6078 20195,7 0,309 6240,5 28610

200 104,4 7,98 112,41 224810 33722 0,002677 5,354 1,5564 6821,3 0,309 2107,8 35829

250 161,4 9,00 170,41 340820 51123 0,000900 1,800 0,5234 2293,9 0,309 708,8 51832

315 289,2 9,39 298,63 597260 89589 0,000292 0,584 0,1698 744,4 0,309 230,0 89819

355 362 9,63 371,64 743280 111492 0,000163 0,327 0,0950 416,3 0,309 128,6 111621

400 452,5 11,55 464,07 928140 139221 0,000091 0,183 0,0531 232,7 0,309 71,9 139293

500 696,2 12,75 708,90 1417800 212670 0,000031 0,062 0,0179 78,4 0,309 24,2 212694

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Costo anual minino = $ 28.610

Diámetro económico = Decon = 160 mm

Diámetro interno = Dint = 150,6 mm

Pérdida total = Hf = 15,81

Elección del Equipo de Bombeo

Pérdidas de Carga en la Impulsión:

Desnivel topográfico: Δh = 0,20 m

Cota de entrada TN: Ce = 152,5 m

Cota de salida TN: Cs = 152,3 m a la cota de ce le sumo el desnivel del 1° punto y el final

Cota de la cañería en EB: CEB = 150,05 m

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Cota de la bomba: Cb = 148,46 m

Diferencia entre bomba y salida: ΔH=2,25 Cota de la cañería en la EB menos el volumen util

Altura del pozo: Hpozo = 3,84 m

Debidas a la fricción

Caudal: Qb = QF10 = 0,0174m3/seg

Diámetro: D = 160 mm

Espesor: e = 4,7 mm

Viscosidad Cinemática = 1,00E-06 m2/seg

Rugosidad Absoluta = 7,00E-06 m

Numero de Reynolds:

Factor de Fricción:

Velocidad:

Perdida de Carga Unitaria:

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Perdida de Carga Total:

Adopto una longitud de cañería de L = 2000 m (desde estación de bombeo a planta de tratamiento)

Se adopta la longitud recordando que la planta de tratamiento debe estar a un mínimo de 500 m de la ciudad, pero teniendo en cuenta los posibles crecimientos que pueda tener la ciudad en el futuro se adopta 2000m.

Debido a Singularidades:

Longitud Equivalente de los Accesorios

Válvula Exclusa:

Curva a 90º:

Válvula de Retención:

Curva a 45º: (4piezas)

Total

Perdida de Carga Total:

PERDIDA DE CARGA TOTAL EN LA IMPULSION:

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CALCULO DE LA ALTURA MANOMETRICA:

Altura Geométrica de Impulsión:

Pérdida de Carga en Impulsión:

CALCULO DE LA POTENCIA DE LA BOMBA:

Calculo de la Curva del Sistema:

Para la elección de la bomba se utiliza el QMd10

Las Perdidas de Carga por fricción se calcularan con la ecuación de Manning.

Datos:

Longitud: L = 2000 m

n de Manning: n = 0,009

Diámetro: D = 0,110

Q[m3/seg]Impulsión

Ht[m] Q[m3/h]jimp[m] Hfimp[m] Hlimp[m]

0 0,000000 0,0000 0,0000 3,6427 0

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0,0015 0,000046 0,0910 0,0016 3,73536 5,4

0,003 0,000182 0,3641 0,0064 4,0133 10,8

0,0045 0,000410 0,8193 0,0144 4,4764 16,2

0,006 0,000728 1,4565 0,0256 5,1248 21,6

0,0075 0,001138 2,2758 0,0399 5,9585 27

0,009 0,001639 3,2772 0,0575 6,9774 32,4

0,0105 0,002230 4,4606 0,0783 8,1816 37,8

0,012 0,002913 5,8261 0,1022 9,5711 43,2

0,0135 0,003687 7,3737 0,1294 11,1458 48,6

0,015 0,004552 9,1033 0,1597 12,9057 54

0,0165 0,005507 11,0150 0,1933 14,8510 59,4

0,018 0,006554 13,1087 0,2300 16,9814 64,8

0,0195 0,007692 15,3845 0,2699 19,2972 70,2

0,021 0,008921 17,8424 0,3130 21,7982 75,6

Datos para elección de bomba

Hm = 12,53 m

Potencia = 3,67 HP = 2,74 kW

Qb = 55,33 m3/h = 15,37 l/s

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De acuerdo a esto, se selecciona una bomba sumergible: FLYGT 3102 HT - 252

Curva del equipo de bombeo

Q[m3/h]

Equipo de bombeo

Hm[m] Nabs [H.P.]

0 27,6

5,63

0,0000

10 25,6 0,1684

20 23,8 0,3131

30 21,9 0,4322

40 19,9 0,5236

50 17,8 0,5855

60 15,7 0,6197

80 11,4 0,6000

100 7 0,4605

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Punto de funcionamiento del sistemaCaudal Q [m3/h] = 55,33

Altura manométrica Hm [m] = 12,53

Rendimiento η = 0,46

Potencia absorbida Nabs [HP] = 5,63

Cálculo de las presiones

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Verificación mediante el planteo de la ecuación de Bernoulli en el punto inicial y final del acueducto

Donde:VA = VB

Hf = 10,88 mzB = 152,3 mzA = 148,66 mPB/γ = 10,3 m (cámara de carga)

Entonces:

Entonces

6kg/cm2 (clase 6)

Verificación al Golpe de Ariete (Teoría de Allievi)

Celeridad de la onda:

Para obtener la máxima sobrepresión aplicamos la teoría de Allievi, de cierre brusco:

Para un t ≤

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Presión total que soportara la tubería:

Verifica.

Perfil de la cañería de impulsión

Datos:

Longitud L = 2000 m

Tapada minima tp = 1,5 m

Perdida unitaria j = 0,0098

Altura de bombeo Hm = 12,53 m

Pendiente global del terreno i% =0,01

Perdida total Δh = 8,89 m

Sobrepresión Δh GA= 22,37 m

Progresiva [m]Cota

Terreno [m]

Cota Intrados

[m]

Diferencia [m]

Pendiente [‰]

Línea piezométrica

[m]

Golpe de arieteObservaciones

+ -

Niv. Min. Agua 150,05

0,00 152,50 151,00 1,50

1,2%

163,53 163,53 163,53

100,00 152,49 149,79 2,70 163,09 164,65 162,41

200,00 152,48 148,58 3,90 162,66 165,77 161,29

300,00 152,47 147,36 5,11 162,22 166,89 160,18

400,00 152,46 146,15 6,31 161,78 168,00 159,06 Hidrante

500,00 152,45 144,94 7,51 161,35 169,12 157,94 Valvula de aire

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600,00 152,44 150,94 1,50 -6,00 160,91 170,24 156,82

700,00 152,43 149,73 2,70

1,9%

160,47 171,36 155,70

800,00 152,42 148,52 3,90 160,04 172,48 154,58

900,00 152,41 147,30 5,11 159,60 173,60 153,46

1000,00 152,40 146,09 6,31 159,16 174,71 152,35

1100,00 152,39 144,88 7,51 158,73 175,83 151,23 Hidrante

1200,00 152,38 150,88 1,50 -6,00 158,29 176,95 150,11 Valvula de aire

1300,00 152,37 149,67 2,70

1,9%

157,85 178,07 148,99

1400,00 152,36 148,46 3,90 157,42 179,19 147,87

1500,00 152,35 147,24 5,11 156,98 180,31 146,75

1600,00 152,34 146,03 6,31 156,54 181,42 145,64

1700,00 152,33 144,82 7,51 156,11 182,54 144,52 Hidrante

1800,00 152,32 150,82 1,50 -6,00 155,67 183,66 143,40 Valvula de aire

1900,00 152,31 149,61 2,701,9%

155,23 184,78 142,28

2000,00 152,30 148,40 3,90 154,80 185,90 141,16

Niv. de descarga 152,30

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DIMENSIONES DEL POZO HUMEDO DE LA ESTACION DE BOMBEO

Dimensiones de las bombas

Ancho: Bb = 0,25 m

Longitud: Lb = 0,25 m

Altura: Hbomba = 0,53 m

Separación entre ellas: Sb = 0,80 m (el mismo se adopta)

Distancia a la pared de Hº: dHº = 0,20 m (el mismo se adopta)

Volumen de las bombasLas medidas del recinto vienen dadas además por las dimensiones de las bombas a instalar. Esto

implica que al volumen calculado se le debe descontar el volumen ocupado por las 2 (dos) electrobombas, resultado por ello un volumen útil; el que servirá para efectuar las verificaciones correspondientes.

Cantidad de bombas = 2

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V2bombas = 0,032 m3

El volumen a verificar para los tiempos para qmin y qmax.

Lado mínimo del pozoEl lado menor del pozo vendrá dado por:

Adopto por simplicidad constructiva una sección cuadrada

Adopto Luego la altura del volumen máximo será:

Verificación de tiempo de ciclo y tiempo de llenado para Qmin y QmaxPara el calculo del pozo de bombeo de la EELC, se considera que el caudal afluente (Qaf) varía

desde un mínimo (QA(O)), a un máximo (QE(20)). Debiéndose verificar que el tiempo de llenado (tll) para el caudal mínimo (QA(0)) sea menor de treinta minutos, con el fin de evitar la descomposición del líquido cloacal y además debe verificarse que el ciclo de bombeo (tiempo de vaciado ( tv)) entre dos arranques sucesivos sea mayor a 6 minutos, con el objeto de no producir el recalentamiento del motor eléctrico. Consideramos las dos situaciones del caudal afluente (máximo horario al final y mínimo horario actual) y las dos condiciones de tiempo ( tc > 6 min y tll < 30 min).

Si adoptamos un equipo de bombeo cuyo caudal sea Qaf / 0,85, el caudal de bombeo será:

Aplicando la ecuación (2), se tiene:

Para el Qmax

Para (caudal máximo horario futuro)

y

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Primera condición:

Segunda condición:

Para el Qmin

Para (caudal mínimo horario actual) Obtenido del TP Nº 5

Primera condición:

Segunda condición:

Una vez efectuadas las verificaciones podemos concluir que el volumen establecido es el correcto.

Página 21

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