INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.
SELECCIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO PARA AGUA POTABLE EN LA COMUNIDAD DE SAN FELIPE COAMANGO.
TESIS COLECTIVA.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
Carlos Hernández López Heriberto Sanabria Macías
MÉXICO D.F. 2010
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 1
Índice
CAPÍTULO PAG.
Objetivos 4 Justificación 5 Introducción 7
CAPÍTULO I. DESCRIPCION DEL PROBLEMA Y PROPUESTAS DE SOLUCION. 9
1.1 Planteamiento del problema 9 1.1.1 Localización geográfica 9
1.2 Propuestas de solución. 11 1.2.1 Control de la explosión demográfica. 12 1.2.2 Programa de horarios. 13 1.2.3 Selección de un equipo de bombeo 14 1.2.4 Propuesta seleccionada 14
1.3 Antecedentes del sistema de bombeo. 15
CAPÍTULO II. DATOS NECESARIOS DEL SISTEMA DE BOMBEO. 17
2.1 Ingeniería Básica 17 2.1.1 Definición y clasificación de los fluidos 17
2.2 Propiedades de los fluidos 18
2.3 Clasificación de las bombas 21 2.3.1 Bombas centrifugas 22
2.4 Curvas de comportamiento 30
2.5 Datos necesarios para el sistema de bombeo 32
2.6 Normatividad y reglamentación aplicable al sistema de bombeo. 32
2.6.1 Ley de Aguas Nacionales. 33
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Índice
CAPÍTULO
PAG.
2.6.2 Ley del Agua del Estado de México. 33 2.6.3 Servicio de agua potable, alcantarillado y saneamiento de
Chapa de Mota. 34 2.6.4 Normas Oficiales del Sector Agua. 34
2.7 Datos de Selección. 35
2.7.1 Periodo de diseño. 35 2.7.2 Población. 38 2.7.3 Consumo. 40 2.7.4 Demanda. 41 2.7.5 Dotación. 42 2.7.6 Gastos de diseño. 43 2.7.7 Coeficiente de regularización. 44
CAPÍTULO III. MEMORIA DE CÁLCULO. 45
3.1 Cálculos Preliminares. 45
3.1.1 Diámetro de la tubería. 45 3.1.2 Línea de conducción. 48
3.1.3 Zanjas para la instalación de la tubería. 50 3.1.4 Equipo de bombeo para el pozo. 52 3.1.5 Equipo de bombeo para la estación. 67 3.1.6 Curva del sistema en la estación de bombeo. 73 3.1.7 Desinfección 80
3.2 Propuesta de Selección de Equipo. 81
3.2.1 Datos de proyecto. 81 3.2.2 Equipos de bombeo. 81 3.2.3 Proceso de construcción. 83 3.2.4 Aplicación del proyecto. 84
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Índice
CAPÍTULO PAG.
CAPÍTULO IV. ANÁLISIS ECONÓMICO. 85
4.1 Financiamiento del proyecto. 88 4.1.1 Pago del sistema de bombeo. 88 4.1.2 Pago del mantenimiento del Sistema de Bombeo. 90 4.1.3 Pago del agua. 90
Conclusiones. 93 Glosario. 96 Anexos. 102 Bibliografía. 106
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Con este trabajo se trata de aprovechar a lo máximo el suministro de agua
potable dentro de la comunidad de San Felipe Coamango, municipio de Chapa
de Mota en el Estado de México, en la zona centro denominado barrio primero.
Con el objetivo de que nuestras familias no sufran de este líquido vital en su
vida diaria y sobre todo ya no caminar tanto para poder conseguirla como en
años anteriores.
OBJETIVO ESPECIFICO
Debido a que día a día el suministro de agua potable es más indispensable para
nuestra comunidad, se pretende elaborar la selección de un equipo de bombeo
de pozo profundo para extraer el agua potable, en una nueva red de suministro
ya planteada, la cual pretende cubrir dichas necesidades de las familias en esta
comunidad.
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JUSTIFICACION
Debido que en México existen actualmente muchos sistemas de suministro de
agua potable, pero a su vez presentan varias deficiencias, entre las cuales
podemos mencionar, la mala distribución de agua en las poblaciones más
necesitadas, y esto lleva a no contar con el agua en los tiempos adecuados o por
lo menos con la suficiente para cubrir las necesidades más primordiales.
La forma como se distribuye es muy irregular, lo que provoca que muchas
familias se queden sin poder tomar agua, lavar, bañarse, o bien para las
actividades domesticas, esto trae como consecuencia estados grave de salud en
toda la población.
En el presente proyecto pretende hacer más eficiente el suministro del agua en
la población, por medio de un sistema de bombeo, el cual tiene como objetivo
primordial entregar y aprovechar a lo máximo el suministro de agua potable en
la población de San Felipe Coamango.
Por eso se toma como alternativa una nueva red de suministro a las ya
existentes en dicho pozo profundo, el cual puede ser la opción en la comunidad,
para que el suministro no sea tan escaso y deficiente como hasta ahora.
De esta manera este proyecto propone una alternativa para cubrir las
necesidades fundamentales en beneficio de la población y en lo particular en un
determinado barrio para corregir los problemas antes mencionados, utilizando
nuevas alternativas de bombeo, destacando que estas mejoras impacten
positivamente en el suministro del tal líquido vital. Además, al tener el control
del agua que se suministra, se puede programar para días determinados y que
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nuestras familias no sufran más, y tengan la suficiente agua para cubrir las
necesidades que se presenten en ese día.
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INTRODUCCION
El presente trabajo, propone la solución para un mejor suministro, de manera
constante y de forma eficiente de agua potable, mediante un tiempo
determinado para que los habitantes del barrio primero zona centro de la
comunidad de San Felipe Coamango, en el municipio de Chapa de Mota, en el
Estado de México, esto con la finalidad de que puedan tener sus actividades
durante el día de la mejor manera posible y sobre todo de manera satisfactoria.
El siguiente trabajo consta de los siguientes capítulos, los cuales se llevaran a
cabo en el orden progresivo: el primero, se describe en el planteamiento del
problema y propuestas de solución; segundo, datos necesarios del sistema de
bombeo; el tercero, memoria de cálculo y por último se hace un análisis
económico.
En el primer capítulo, se plantea el problema el cual da pie a la realización de
este trabajo de tesis y la propuesta de la solución que puede ser aplicada, solo
evaluar las ventajas y desventajas que nos da esta. Al final del capítulo se
describen antecedentes de la propuesta seleccionada.
En el capítulo segundo, se encuentra el concepto de una bomba y sus
clasificaciones, además de sus características principales, de la misma manera
algunas normas que se sujetan a la propuesta seleccionada, así como datos de
diseño del proyecto, los cuales procederán a las cálculos técnicos necesarios
para la mejor selección del equipo de bombeo.
En el tercer capítulo, con el objeto de diseñar un proyecto eficiente, se llevara a
cabo todos los cálculos técnicos mínimos necesarios que se requieren para el
desarrollo de la propuesta seleccionada. Al final del capítulo y como
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antecedente del presupuesto del proyecto, se hará mención de una breve
descripción del proceso de construcción del proyecto.
En el cuarto y último capítulo, se desarrolla el presupuesto y financiación de la
obra o proyecto a desarrollar detallando quien y en qué cantidad de dinero
inviertan para llevar a cabo la propuesta y resolver el problema en cuestión.
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CAPITULO I.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN.
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
El presente trabajo es realizado debido a un gran problema que se origina en la
zona centro en la Comunidad de San Felipe Coamango (barrio primero),
Municipio de Chapa de Mota al Norte del Estado de México. En esta zona solo
el suministro de agua potable era de 3 días inicialmente.
Debido al crecimiento de la población, escasas fuentes de extracción, cada vez
menor la duración de las temporadas de lluvia y sobre todo la mala selección
del Equipo de bombeo, han provocado que el servicio sea deficiente
.
En nuestro días el servicio, que como se menciona era cada 3 días se ha
recortado a 1 o 2 días a la semana. En concreto el problema radica en que por
motivos políticos, económicos, sociales y técnicos, no se cuenta con un servicio
constante de abastecimiento del agua potable y todo esto afecta las necesidades
básicas y actividades importantes de los habitantes de dicha población.
1.1.1 LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA
El Municipio de Chapa de Mota está ubicada en la porción noroccidental del
estado de México entre las coordenadas: longitud mínima 99º 25’ 13”, longitud
máxima 99º 40’15”; latitud mínima de 19143’57” y latitud máxima de 19º54’15”.
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Figura 1. Localización Geográfica
1.1.1.1 Limites
El municipio colinda al norte con los municipios de Jilotepec, al sur con San
Bartolo Morelos, al este con Villa del Carbón y al oeste con los municipios de
Timilpan.
Fig. 2 Mapa de Municipios
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1.1.1.2 Altura sobre el nivel del mar
Los terrenos del municipio estudiados ocupan diferentes niveles que ascienden
desde los 2350msnm, hasta los 3200msnm que señalan las cumbres de los
montes que se ubican al oeste de San Felipe Coamango. Para el diseño de
nuestro proyecto se tomará 2750msnm para dicha comunidad
aproximadamente.
1.1.1.3 Climatología
El clima es semi-seco templado, con lluvias en verano, subhúmedo con verano
largo, lluvia invernal inferior al 5%; es isotermal. La temperatura media anual
oscila entre 10y 12º C.
La precipitación pluvial media anual va de los 1000 a 1200 mm, en tanto que la
frecuencia de granizada es de 2 a 14 días. Las lluvias inician por lo regular a
mediados del mes de Mayo y terminan en la última semana de Septiembre.
La frecuencia de las heladas es de 60 a 80 días y son perceptibles en las noches.
1.2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN.
Se hará mención de algunas alternativas que servirán para solucionar el
problema de abastecimiento de agua potable en el Barrio Primero zona Centro
de San Felipe Coamango. De esta manera será mencionado el porqué de las
propuestas, de modo que al final se pueda contar, de una propuesta que logre el
beneficio lo más pronto y eficiente de un costo adecuado para el uso práctico.
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1.2.1 Control de la explosión demográfica.
Día con día el crecimiento de la población es demasiada, se podrían crear
planes de contingencia o de desarrollo urbano, los cuales puedan frenar el
crecimiento, pero como esto se ve un poco difícil, debido a que todas las
personas tiene derecho a la vivienda y por ello a nadie se le puede negar
cualquier tipo de obra en su predio.
Actualmente la Comunidad de San Felipe Coamango es el que más ha
presentado incremento a los fraccionamientos o casas de interés social.
Esta alternativa no sería la adecuada para tener por más tiempo el suministro
de agua, por lo que hay que pensar, en otra solución al problema.
1.2. 1.1 Ampliación de la estación de bombeo.
Esta alternativa será con el objetivo de tener una mayor capacidad de
almacenamiento de agua potable para satisfacer las necesidades de la
población ampliando el depósito de regulación del Barrio Primero de San Felipe
Coamango.
Esto consiste en ampliar la cisterna en dimensiones. Como ventaja se tiene
que, con una mayor capacidad para el almacenamiento del agua potable, el
suministro actual es de cada tercer día pasara a ser del diario.
Tomando en cuenta, también que durante el tiempo que se lleve a cabo la
construcción de la obra, sería el mismo que los habitantes de la población se
queden sin el servicio del agua potable.
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Lo ideal para nuestro problema es buscar una solución sin perjudicar a la
población y dicha alternativa de solución no puede ser aplicable.
1.2.2 Programa de horarios.
El objetivo de esta propuesta es alternar el abastecimiento de agua potable en
la comunidad de san Felipe Coamango, en horarios equitativos, a modo de que
el beneficio sea igual para todos los habitantes de dicha comunidad.
Las ventajas de esta propuesta es que en los barrios que actualmente se ven
afectados por el reducido tiempo de suministro de agua potable, entre ellas la
zona centro de la comunidad se San Felipe Coamango, se les amplié el horario
de servicio y no solo sea unas cuantas horas.
Las desventajas de esta propuesta, como se menciono anterior mente, es que el
diseño actual de la red de distribución por medio de la apertura y cierre de las
válvulas de seccionamiento, abastece de agua a diferentes barrios de la
comunidad en diferentes horarios y días. De modo que el válvuleo en la red,
siempre se favorece el suministro a los barrios. El hecho es, que a pesar de que
se piense es favoritismo, lo cierto es que el diseño de la red, siempre habrá
barrios inconformes por la falta del servicio de agua potable. Desgraciadamente
no siempre serán los mismos barrios, ni el mismo número de habitantes por lo
tanto la demanda aumentará en tanto aumente la población.
Actualmente cada vez son más las casas construidas en el municipio, por tanto
la demanda ha aumentado de igual modo. Por eso aunque se administre la
cantidad de agua asignada a cada barrio, siempre habrá que tener en cuenta el
hecho de cómo obtener más para abastecer a la población. En base a lo anterior
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y muy por el contrario, en un futuro se verán reducidos loa horarios de servicio
no sólo de nuestro barrio, sino de los restantes.
1.2 .3 Selección de un equipo nuevo de bombeo.
Esta es una de las alternativas más viables, debido que se hace un estudio
demográfico, de la comunidad y todas las características teóricas para la
selección de un equipo de bombeo.
Con esta alternativa podremos tener un mejor servicio en el tipo de
abastecimiento del agua para este barrio y zona de la comunidad. Otra de las
ventajas es que en México ya se cuenta con Empresas Mexicanas que nos
pueden asesorar para la adquisición de un equipo nuevo, cumpliendo con las
características que arroje nuestro estudio teórico y demográfico que se hará con
anticipación.
A lo mejor una pequeña o gran desventaja sería el costo del equipo, pero dentro
de la misma comunidad se buscaría la forma de conseguirlo, esto a través de
gestiones a los diferentes tipos de gobernantes dentro del estado de México,
entre otras.
1.2.4 Propuesta seleccionada
Teniendo en cuenta que todas y cada una de ellas son eficaces y tienen sus
grandes ventajas, pero lo que se busca es tener una solución de manera eficaz,
rápida y de bajo costo. Para el problema de la insuficiencia en el servicio de
agua potable para esta comunidad y barrio en cuestión. Una vez analizando y
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llegando a la conclusión que la “compra de un equipo nuevo de bombeo”, es la
propuesta adecuada para la resolución de nuestro problema.
Por tanto a partir de esto se comenzará con el desarrollo de la propuesta, lo
cual de un modo general, se presentarían los siguientes beneficios:
El abastecimiento de agua al Barrio Primero de la Colonia Centro sería
durante mas horas al día.
El tiempo de planeación y ejecución, sería realmente corto.
Las familias de san Felipe tendrían más abastecimiento de agua para la
realización de actividades.
La operación de la estación de bombeo de la comunidad sería prácticamente
la misma, solo que con un equipo más eficiente.
1.3 Antecedentes del sistema de bombeo.
La constitución del sistema, es sencilla: una línea de conducción que parte del
pozo cercano hacia la estación
Los orígenes de esta estación se dio desde el año 1999, fecha en la cual se dio
por primera vez el servicio. Se encuentra ubicada en la carretera Chapa de
Mota- el Quinte, en el kilometro 9.00 s/n, al norte de la comunidad de San
Felipe Coamango, Chapa de Mota Estado de México.
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Tabla 1. Ficha técnica del pozo de la comunidad de San Felipe Coamango
1, Pozo Modelo: LC1F265 Diámetro ademe 1º: 16 plg. Tamaño de nema: 5 Prof. cambio ademe: 100,66 m Reveladores de Sobrecarga Diámetro ademe 2º: 26 plg. Marca: SIEMENSInicio ademe rasurado: 40,00 m. Rango: 150-180 AProfundidad Total: 202,61 m. Bobina de Control. Nivel Estático: 67 m. Marca: SIEMENSQ aforo actual: 80 lps. Piezas: 1 (Una) Presión de Trabajo: 3,00 Kg/cm² Voltaje: 440 V Nivel Dinámico (prom.) 97 m. Transformador de Control. Carga Dinámica Total: 100,9 mca. Marca: EE1
2. Equipo de bombeo. Capacidad: 500 KVA Marca: GM registrada Tensión: 110/480 VTipo: Sumergible 9, Fontanería: Modelo: 132130 Válvula Expulsadora de Aire. Serie: RON-2401-2001 Marca: VAMEX Número de Pasos 6 (seis) Diámetro: 3 plg.
3. Tubería de Columna. Tipo: Brigam Esfera
Dimensiones (diám. X Long.): 6 plg. X 3,05 m.) Válvula de Compuerta. Cantidad de tubos: 40 Marca: Brigman Longitud Total de Tubería: 122m. Diámetro: 3 plg. Tipo de Cuerda: Cónica Válvula Check.
4, Cabezal de Descarga. Marca: Mission Marca: GOULDS Diámetro: 10 plg Dimensiones: 24 plg. X 10 plg. Válvula de Compuerta.
5. Motor: Marca: BRIGAM Marca: U.S. Diámetro: 10 plg Modelo: NB-1253 Válvula Aliviadora de Presión. Corriente: 156A Marca: ROSS Potencia: 125 H.P. Diámetro: 6 plg. Tensión: 440V Válvula Seccionadora de Pozo.
6. Transformador de Potencia Marca: Keystone Marca: ESA Diámetro: 10 plg. Capacidad: 150 KVA 10. Caseta. Voltaje (prim./sec.) 2300/440 Frente: 15 m Capacidad de Aceite: 405 litros Fondo: 6,50 m
7. Subestación Eléctrica. Altura: 3 m Marca: ENERGOMEX Espesor: 0,20 m
Capacidad: 200 KVA Techado: Malla
Ciclónica Tipo: EME-6 11. Cable Alimentador Motor.
8. Tablero de Baja Tensión. Calibre: 3 x 1/0 Contactores Tipo: SumergibleMarca: SIEMENS Longitud: 128 m Piezas: 3 (tres) Línea(s) 1
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CAPITULO II.
DATOS NECESARIOS DEL SISTEMA DE BOMBEO
2.1 Ingeniería básica.
2.1.1 Definición y clasificación de fluidos.
Fluido es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular,
carece de forma propia, adoptada la del recipiente que lo contiene y ofrece poco
resistencia a las deformaciones; también se puede definir como sustancias que
no pueden resistir al más ligero esfuerzo cortante sin que se deforme
continuamente, esto es que fluya mientras se aplique un esfuerzo cortante.
2.1.1.1 Los fluidos se clasifican en líquidos y gases.
Se denomina Gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni
volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas
y con poca fuerza de atracción.
2.1.1.2 El Líquido es uno de los tres estados de agregación de la materia. Un
Líquido es un fluido cuyo volumen es constante en condiciones de temperatura
y presión constantes.
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2.2 Propiedades de los fluidos (agua).
La parte de la Mecánica que estudia las propiedades y las Leyes del
comportamiento de los Fluidos tanto en equilibrio (Hidrostática), como el
movimiento (Hidrodinámica), es la Mecánica de Fluidos, bajo el principio de
“Fluido Incompresible” real o ideal.
2.2.1 Definiciones
2.2.1.1 Densidad ( ρ ) es una magnitud referida a la cantidad de masa
contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos
absolutos o relativos. La unidad de densidad específica es el Kg/m 3 , y para el
agua a nivel del mar a 4 °C (39.2 °F) su densidad es de 1000 Kg/m 3 .
2.2.1.2 El Peso Específico (γ ) de una sustancia se define como su peso por
unidad de volumen. Se calcula al dividir el peso de la sustancia entre el
volumen que ésta ocupa. En el Sistema Técnico, se mide en kilopondios por
metro cúbico (kp/m³). En el Sistema Internacional de Unidades, en newton por
metro cúbico (N/m³).
2.2.1.3 El Volumen Específico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa
de un material. Es la inversa de la densidad no dependen de la cantidad de
materia. Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente
peso y volumen pero el peso específico de ambos será igual. Este es
independiente de la cantidad de materia considerada para calcularlo, sus
unidades son el metro cúbico por kilogramo (m 3 /kg ó ft 3 /lb).
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2.2.1.4 La Densidad Relativa es la relación entre la densidad de una sustancia
y la cierta densidad de agua a 4°C o la densidad del mercurio. La densidad
relativa es función de la temperatura y de la presión (la densidad relativa es
adimencional).
2.2.1.5 La Viscosidad Dinámica ó Absoluta es aquella propiedad que expresa
la facilidad que tienen un fluido para circular cuando se aplica una fuerza
externa o bien es una medida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir
deformaciones internas. Sus unidades son en Pa·s o cP.
2.2.1.6 La Presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce
un líquido a un gas perpendicularmente a dicha superficie. Sus unidades son
en Kg/cm2 o Lb/in2
2.2.1.7 La Presión Atmosférica es la fuerza ejercida en una unidad de área
debida al peso de la columna de aire que gravita sobre dicha unidad de
superficie. La presión atmosférica varia con la temperatura debido a que al
disminuir esta, el aire se toma más denso y pesa más, por lo tanto si la
temperatura aumenta, la densidad de la columna de aire disminuirá y el peso
de esta.
2.2.1.8 La Presión Absoluta es la presión resultante de considerar la presión
atmosférica más aquella que la producen otras causas o sea la manométrica. Se
mide respecto al cero absoluto de presión o 100 % de vacío.
2.2.1.9 La Presión de Vapor, en la superficie libre de un líquido a cualquier
temperatura hay un constante movimiento de moléculas que escapan de dicha
superficie, es decir, el líquido se evapora. Si el líquido se encuentra en un
recipiente cerrado, y sobre su superficie queda un espacio libre, este espacio se
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llega a saturar de vapor y ya no se evapora más líquido. A la presión parcial a
que dan lugar las moléculas de vapor se llama presión de vapor.
2.2.1.10 El Caudal es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a
través de una sección transversal a la corriente, se designa por la letra (Q) y
sus unidades son (m 3 /s)
2.2.1.11 El Bombeo puede definirse como la adición de energía a un fluido
para moverse de un punto a otro, no es como frecuentemente se piensa, la
adición de presión. Por la energía, es capacidad para hacer trabajo,
adicionándola a un fluido obliga al fluido a hacer trabajo.
2.2.1.12 Una Bomba es un transformador de energía. Recibe energía
mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, de combustión, etc. Y la
convierte en forma de presión, de posición o de velocidad.
La bomba es una maquina diseñada para incrementar la energía a un líquido.
2.2.1.13 Las bombas son dispositivos que se encargan de transferir energía a
la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a
otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento rotatorio
denominado impulsor o rodete, el cual se encuentra dentro de una carcasa
llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica
a través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica. El
fluido entra axialmente a través del ojo del impulsor, pasando por los canales
de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes que se
encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta,
el cual se expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida
para convertirse en presión estática.
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Figura 3. Bomba Centrifuga
2.3 Clasificación de las bombas.
Las bombas pueden clasificarse considerando su aplicación a los materiales de
construcción y a los líquidos que manejan. Este método basado en el principio
por el cual se agrega energía al líquido, divide a las bombas en tres grandes
grupos.
Bombas dinámicas ó centrifugas
Bombas de desplazamiento
Bombas rotatorias
Las bombas también se clasifican según las consideraciones generales
diferentes:
a) La que toma en consideración la características de movimiento de los
líquidos.
b) La que se basa en el tipo de aplicación específica para los cuales se ha
diseñado la bomba.
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De acuerdo a nuestro proyecto la bomba que se va a seleccionar es del tipo
centrifuga en la tabla 1.1 se encuentra la Clasificación de Bombas Centrífugas
de acuerdo a la norma de referencia de NRF-050-2007 de Pemex.
Tabla 2. Clasificación de Bombas centrífugas según NRF-050 PEMEX
2.3.1 Bombas centrífugas.
2.3.1.1 Bomba tipo OH1: Las bombas con denominación del tipo OH1 son con
impulsor en voladizo, montadas al pie y de una etapa.
Figura 4. Bomba tipo OH1.
2.3.1.2 Bomba tipo OH2: Las bombas con denominación del tipo OH2 son con
impulsor en voladizo, soportadas en la línea de centros y de una etapa. Tienen
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un solo alojamiento de cojinetes para absorber todas las fuerzas impuestas a la
flecha de la bomba y mantiene el rotor en posición durante la operación. Las
bombas son montadas sobre una base o patín común y son acopladas con cople
flexible a su accionador.
Figura 5. Bomba tipo OH2.
2.3.1.3 Bomba tipo OH3: Las bombas con denominación de tipo OH3 son con
impulsor en voladizo, vertical en línea, una etapa y con cojinete en soporte.
Estas bombas tienen un alojamiento de cojinete integrado a la bomba para
absorber todas las cargas de la bomba. La bomba y su accionador son acopladas
con acoplamiento flexible.
Figura 6. Bomba tipo OH3.
2.3.1.4 Bomba tipo OH4: Las bombas con denominación del tipo OH4 son con
impulsor en voladizo, vertical en línea, una etapa y rígidamente acoplada. Las
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bombas rígidamente acopladas tienen su flecha acoplada rígidamente a la
flecha del accionador.
Figura 7. Bomba tipo OH4.
2.3.1.5 Bomba tipo OH5: Las bombas con denominación del tipo OH5 son con
impulsor en voladizo, vertical en línea, una etapa y con el impulsor montado en
la flecha del accionador.
Figura 8. Bomba tipo OH5.
2.3.1.6 Bomba tipo OH6: Las bombas con denominación del tipo OH6 son con
impulsor en voladizo, una etapa, de alta velocidad y accionada por engranaje
integrado. Este tipo de bombas tienen un incrementador de velocidad
engranado integrado a la bomba. El impulsor es montado directamente a la
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flecha de salida de la caja de engranes. No hay acoplamiento entre la bomba y
la caja de engranes, sin embargo, la caja de engranes es acoplada con cople
flexible al accionador. Las bombas pueden ser de orientación vertical u
horizontal.
Figura 9. Bomba tipo OH6.
2.3.1.7 Bomba tipo BB1: Las bombas con denominación del tipo BB1 son de
carcasa dividida axialmente, una y dos etapas y montada entre cojinetes.
Figura 10. Bomba tipo BB1.
2.3.1.8 Bomba tipo BB2: Las bombas con denominación del tipo BB2 son de
carcasa dividida radialmente, una y dos etapas y montada entre cojinetes.
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Figura 11. Bomba tipo BB2.
2.3.1.9 Bomba tipo BB3: Las bombas con denominación del tipo BB3 son de
carcasa dividida axialmente, multietapas y montada entre cojinetes.
Figura 12. Bomba tipo BB3.
2.3.1.10 Bomba tipo BB4: Las bombas con denominación del tipo BB4 son de
carcasa sencilla dividida radialmente, multietapas y montada entre cojinetes.
Estas bombas también se le llaman de anillo seccionado, anillos segmentados o
varillas tensionadas. Estas bombas tienen un área potencial de fuga en cada
segmento.
Figura 13. Bomba tipo BB4.
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2.3.1.11 Bomba tipo BB5: Las bombas con denominación del tipo BB5 son de
doble carcasa dividida radialmente, multietapas y montada entre cojinetes
(bomba de barril).
Figura 14. Bomba tipo BB5.
2.3.1.12 Bomba tipo VS1: Las bombas con denominación del tipo VS1 son de
cárcamo húmedo o pozo profundo, verticalmente suspendidas, de difusor,
carcasa sencilla y descarga a través de la columna.
Figura 15. Bomba tipo VS1.
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2.3.1.13 Bomba tipo VS2: Las bombas con denominación del tipo VS2 son
cárcamo húmedo, verticalmente suspendidas, carcasa sencilla, de voluta y
descarga a través de la columna.
Figura 16. Bomba tipo VS2.
2.3.1.14 Bomba tipo VS3: Las bombas con denominación del tipo VS3 son
cárcamo húmedo, verticalmente suspendidas, carcasa sencilla, de flujo axial y
descarga a través de la columna.
Figura 17. Bomba tipo VS3.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 29
2.3.1.15 Bomba tipo VS4: Las bombas con denominación del tipo VS4 son de
sumidero, verticalmente suspendidas, carcasa sencilla, de voluta y accionada
por flecha en línea.
Figura 18. Bomba tipo VS4.
2.3.1.16 Bomba tipo VS5: Las bombas con denominación del tipo VS5 son de
cárcamo húmedo, verticalmente suspendidas y con impulsor en voladizo.
Figura 19. Bomba tipo VS5.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 30
2.3.1.17 Bomba tipo VS6: Las bombas con denominación del tipo VS6 son de
carcasa doble, difusor y verticalmente suspendidas.
Figura 20. Bomba tipo VS6.
2.3.1.18 Bomba tipo VS7: Las bombas con denominación del tipo VS7 son de
carcasa doble, de voluta y verticalmente suspendidas.
Figura 21. Bomba tipo VS7.
2.4 Curvas de Comportamiento
A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo (rotatorias y
reciprocantes), una bomba centrifuga que se opera a velocidad constante puede
suministrar cualquier capacidad de cero a un máximo, dependiendo de la
columna, diseño y succión. Las curvas características (Fig. 22) muestran la
relación existente entre cada bomba, capacidad, potencia y eficiencia para un
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diámetro de impulsor específico y para un tamaño de carcasa.
Figura 22. Curva de comportamiento.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 32
Es habitual dibujar la columna, potencia y eficiencia en función de la capacidad
a velocidad constante, como en la Fig. 22. pero en casos especiales es posible
señalar en las gráficas tres variables cualesquiera contra una cuarta.
La curva de capacidad de columna, conocida como HQ, muestra la relación
entre la capacidad de columna total, y puede ser creciente, decreciente, con
gran inclinación o casi horizontal, dependiendo del tipo de impulsor usado y de
su diseño. En la columna desarrollada por la bomba es de 43.80 m de liquido,
capacidad de 67 lps A 36.50 m de columna R la capacidad de la bomba sube a
98.8 lps.
2.5 Datos necesarios para el sistema de bombeo.
Con la información que se dé en este capítulo comenzaremos a dar forma a
nuestro proyecto en cuanto a: periodo de diseño, población, consumo, demanda,
dotación, gastos de diseño y normas o reglamentos que se tomarán en cuenta,
todo ello para tener un buen diseño del “Sistema de Bombeo”. Este marco
teórico, procederá los criterios para la población del proyecto.
2.6 Normatividad y reglamento aplicable al sistema de bombeo.
Las dependencias federales como la Comisión Nacional del Agua; estatales,
como la Comisión del Agua del Estado de México y municipales, como es el
Servicio de Agua Potable, alcantarillado y Saneamiento de Chapa de Mota,
tienen como objetivo principales: la administración de las aguas nacionales,
modificar y hacer cumplir las leyes del sector hídrico, llevar a cabo la
evaluación y el desarrollo de proyectos. Todo parte de una ley, de la
constitución política de los Estados Unidos Mexicanos, en su artículo 27.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 33
Tomaremos en cuenta todas las normas y reglamentos los cuales podrán ser
determinados en la planeación, desarrollo y construcción del sistema de
bombeo. Las leyes aplicadas o reglamentos se harán mención en su
determinado momento en el desarrollo del mismo.
2.6.1 Ley de aguas nacionales.
Es reglamentaria del artículo 27 de la Constitución Política de los Estados
Unidos mexicanos en materia de aguas nacionales. Sus disposiciones son de
orden público e interés social y tiene por objeto regular la explotación, uso o
aprovechamiento de las dichas aguas, su distribución y control así como la
preservación de su cantidad y calidad para lograr su desarrollo integral
sustentable.
Las disposiciones de esta ley son aplicadas a todas las aguas nacionales, sean
superficiales o del subsuelo. Las disposiciones aplicadas a nuestro proyecto
serán las siguientes: artículos 14 BIS, fracciones II, III; 17; 20; 21; 23 BIS; 24;
25; 28; 29; 46; 96 BIS 2, fracción IV. Por parte del reglamento las disposiciones
aplicables son las siguientes: artículos 18; 29; 20; 22; 28; 29; 81; 82 fracciones I,
II; 157; 160 fracciones I, V; 162; 163.
2.6.2 Ley del agua del estado de México.
Esta ley es una de las reglamentarias de la ley de aguas nacionales, en materia
de aguas estatales; sus disposiciones son de orden público e interés social y
tiene por objeto regular la explotación, uso o aprovechamiento de dichas aguas,
su distribución y control, a sí mismo como la preservación de su cantidad y
calidad para lograr su desarrollo integral sustentable. Las disposiciones
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aplicables a este proyecto serán las siguientes: artículos 7; 8; 9, fracciones I, II;
10; 11, fracción II; 39; 40, fracciones II; 49; 58; 63; 69, fracciones I, II.
2.6.3 Servicio de agua potable, alcantarillado y saneamiento de Chapa de
Mota
Para la administración y control de las aguas que estén dentro del territorio
municipal, el manejo se regirá de igual modo por los reglamentos federales y
estatales. Para proyectos de agua potable será necesario utilizar las normas
que emiten los organismos federales. Para el pago de impuestos, implantación
de sistemas hidráulicos y acciones de mantenimiento, existe un organismo
oficial denominado Servicio de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento de
Chapa de Mota (SAPASA)
Este es un organismo oficial descentralizado del poder público municipal y
opera bajo las estimulaciones de los artículos 1, fracciones III, IV, V, VIII; 2,
fracciones I, IV, V, VIII, XIX, XX, XXI, XXIII, XXV, XXIX, XXXI, XXXII,
XXXIII, XXXIV, XXXV, XXXVI; 17, 18, fracciones II; 19-24, 28, 30, 31, 33 de la
ley del agua del Estado de México.
2.6.4 Normas Oficiales del Sector Agua
El comité consultivo nacional de normalización del sector agua dependiente de
la CNA, expide normas oficiales mexicanas en la materia, mediante las cuales
ejerce las atribuciones que confiere la Ley de Aguas Nacionales y su
reglamento, como son aprovechar adecuadamente y proteger el recurso hídrico
nacional.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 35
Estas normas garantizan que los organismos operadores de sistemas de agua
potable, cumplan con el objetivo de aprovechar, preservar y manejar
eficientemente el agua. Las normas oficiales mexicanas del sector en vigor y
aplicadas a este proyecto son las siguientes:
NOM-013-CNA-2000. Redes de distribución de agua potable, especificaciones
de hermeticidad y métodos de prueba.
NOM-230-SSA1-2002.Salud ambiental. Agua de uso y consumo humano,
requisitos sanitarios que se deben cumplir en los sistemas de abastecimiento
públicos y privados durante el manejo de agua. Procedimientos sanitarios para
el muestreo.
2.7 Datos de selección.
2.7.1 Periodo de diseño.
Es el intervalo de tiempo durante el cual se estima que la obra por construir
llegue a su nivel de saturación; este período debe ser menor que la vida útil.
Los elementos de un sistema de agua potable se proyectan con una capacidad
prevista hasta el periodo de diseño. Rebasado el período de diseño, la obra
continuará funcionando con una eficiencia cada vez menor, hasta agotar su
vida útil.
Para poder definir el periodo de diseño de un proyecto es recomendable, hacer
un listado de las estructuras, equipos y accesorios más relevantes en el
funcionamiento y operación del proyecto (tabla.3.)
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 36
Tabla 3. Periodos de diseño para sistemas de agua potable
2.7.2.1 Vida útil.
Es el tiempo que se espera que la obra sirva a los propósitos de diseño, sin
tener gastos de operación y mantenimientos elevados, que hagan antieconómico
su uso o que requiera ser eliminada por insuficiente. En la selección de la vida
útil, es conveniente considerar que generalmente la obra civil tiene una
duración superior a la obra electromecánica y de control.
Así mismo, las tuberías tienen una vida útil mayor que los equipos, pero no
tienen la flexibilidad de éstos, puesto que se encuentran enterradas. Tampoco
hay que olvidar que la vida útil dependerá de la adecuada y eficiente aplicación
de los programas preventivos que se programaran con anticipación.
También deberemos tomar en cuenta todos los factores, características y
posibilidades de riesgo del proyecto, para establecer adecuadamente el periodo
de vida de cada una de las partes del sistema de agua potable. Para ello nos
apoyaremos en la siguiente tabla (tabla 4.)
Elemento Periodo de diseño (años)
Pozo
Línea de Conducción
Estación de Bombeo
5
5 a 20
5 a 10
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 37
Elemento Vida útil ( años)
Pozo:
Equipo
Electromecánico
8 a 20
Línea de Conducción: 20 a 40
Estación de Bombeo:
Equipo
Electromecánico
8 a 20
Tabla 4. Vida útil de los elementos de sistemas de agua potable
La vida útil del equipo electromecánico, presenta variaciones muy
considerables, principalmente en las partes mecánicas (impulsores, columnas,
soporte de chumaceras, flechas, etc.), la cual se ve disminuida notablemente
debido a la calidad del agua y a las condiciones de operación como son las
variaciones de la bomba, distribución geométrica en la estación de bombeo,
paros y arranques frecuentes.
Observando en las tablas anteriores 3 y 4, se ha tratado de definir un periodo
de diseño para este proyecto y el principal elemento de que consta este sistema
es la línea de conducción, aún no podemos decir si los equipos de bombeo del
pozo y la estación de bombeo se cambiaran por tanto tomaremos el valor
mínimo del período de diseño de la línea de conducción.
Para el elemento principal, se recomienda de 5 a 20 años y como el valor
máximo de este periodo de diseño, entra también en la vida útil de los demás
elementos. Por tanto se ha elegido un tiempo de 20 años, como periodo de
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 38
diseño. Siendo este periodo menor al tiempo en el cual se podrá explotar la
fuente de abastecimiento. El periodo de diseño, se utilizara para los cálculos
posteriores.
2.7.2 Población.
Hay que conocer como ha venido creciendo la población en la zona centro
(barrio primero) de la comunidad de San Felipe Coamango, en base a datos
censales y registros de usuarios de servicio públicos, etc., esto para tener un
dato preciso de cuál será el volumen de agua que se necesitará para poder
cubrir las necesidades de la población ahora y durante los 20 años que se
comprende el periodo de diseño del sistema de bombeo.
2.7.2.1 Población actual.
Con ayuda de los datos censales del Instituto Nacional de Estadística,
Geografía e Informática, INEGI visitas de reconocimiento en la localidad y el
registro de usuarios del servicio de agua potable proporcionada por
S.A.P.A.SA.C se tiene los siguientes:
La zona centro (barrio primero) de la comunidad de San Felipe Coamango tiene
un número de 2350 casas.
Tabla 5. Determinación de la población actual
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 39
Por lo tanto se tiene en la comunidad de San Felipe Coamango, en el año de
2009 un número de habitantes. Esto no servirá como base para los cálculos
siguientes: población de proyecto, consumo, demanda, dotación, entre otras,
esto para la proyección en el año de 2025.
2.7.2.2 Población de proyecto.
Es la cantidad de personas que se espera tener en la localidad al final del
periodo de diseño del sistema de agua potable. Los factores del cambio futuro
en la población son: el aumento natural (más nacimientos que muertes) y la
migración neta (movimientos de las familias hacia adentro y hacia afuera de un
área determinada).
En referencia de cómo se estimará la proyección en un futuro (20 años),
tendremos que aplicar nuestro criterio y algunos factores que hay que tomar en
cuenta. Podemos seguir la línea de algún método estadístico, para determinar
la cantidad de habitantes pero en este caso, será mejor hacer las siguientes
indicaciones:
En 15 años, la colonia centro ha demostrado un incremento, al punto de
llegar a tener una densidad de población de 5.5 habitantes por casa. Este
valor puede aumentar a 6 ó 6.3 habitantes por casa, lo que provocaría la
construcción de más casas o cambio de lugar para residir.
Es un hecho que la población no crecerá en función del crecimiento de la
colonia centro (barrio primero), es decir que esta parte de la comunidad
ya tiene un número de casas y el abastecimiento de agua será para las
176 casas.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 40
Las características y diseño de las casas son tales, que en promedio no se
pueden tener a más de 6 ó 6.3 habitantes en cada uno y que lo contrario
el estatus de vida sería un tanto incomodo, pero aun así el volumen de
agua requerido en los próximos 20 años se determinará con el límite de
habitantes por casa.
Los índices de mortalidad, aunque menores en comparación con los de
natalidad, es un factor que no hay que despreciar para la estimación de
la población en los siguientes 20 años.
2.7.3 Consumo.
Es la parte de suministro de agua que utilizaran los usuarios, sin considerar
las pérdidas en el sistema. Se expresa en unidades de m/día o l/día. Para la
determinación del consumo de agua potable, en la localidad, se considera que
no se cuenta con estadísticas de consumo, el cual es totalmente domestico. Es
por eso que primero se determina la clase socioeconómica de nuestra
comunidad, enseguida se clasifica la región por tipo de clima en función de la
temperatura media anual y por último se obtiene el consumo (l/hab/día), de la
clase socioeconómica de nuestra comunidad en función del tiempo de clima de
la región en que se encuentre.
Tabla 6. Tipos de usuarios domésticos.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 41
2.7.3.1 Pérdidas físicas.
Las pérdidas físicas se refieren al agua que se escapa por fugas en las líneas de
conducción, tanques, redes de distribución y tomas domesticas. De acuerdo a
estudios de campo se ha determinado que estas pérdidas se determinan a
partir de muestras de inspección. Estas depende mucho de los factores: presión
de trabajo, calidad de tubería y accesorios, el proceso constructivo, tipo de
material, antigüedad de elementos del sistema y sobre todo al mantenimiento a
estos últimos.
En caso de no disponer de información, se puede considerar un valor promedio,
de acuerdo a experiencias nacionales, del orden del 30% (ref 1.), del volumen
suministrado, que es el resultado del estudio de ciertas ciudades de la república
mexicana.
2.7.4 Demanda.
Es igual al consumo total entre las pérdidas físicas del agua en el sistema. Para
efectos de nuestro diseño se considerará el valor promedio de pérdidas físicas,
determinado a continuación, de un 30% del volumen suministrado.
-1-
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 42
Despejando la demanda:
-2-
Pérdidas = Demanda (% Pérdidas)
Para los años siguientes se supondrá que se cuenta con un programa de
mantenimiento preventivo, en nuestro “Sistema de Bombeo” que controle y
disminuya las pérdidas físicas en un 0.5% anual.
Año
Servicio doméstico 2005 2025
Población media 12,039,5 15,045,37 Pérdidas 30 20 Consumo (m³/día) 2,468,09 3,085,12 Demanda (m³/día) 3,525,8 3,856,4 Pérdidas (m³/día) 1,057,74 771,28
Tabla 7. Proyecto de la demanda, tipo domestico.
2.7.5 Dotación.
La dotación es la cantidad de agua asignada a cada habitante, considerando
todos los consumos de los servicios y las pérdidas físicas en el sistema en un día
medio y sus unidades están dadas en (l/hab/día). La dotación se obtiene de
dividir la demanda total entre el número de habitantes, por mil. Dentro del
período de diseño (2025).
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 43
Años Servicio 2005 2025
Población (Habitantes) 12,039,5 15,049,37 Demanda Doméstica (m³/hab) 3,525,8 3,856,4 Dotación de Agua (l/hab/día) 293 257
Tabla 8. Dotación de agua para la localidad.
2.7.6 Gastos de diseño.
Los coeficientes de variación se derivan de la fluctuación de la demanda debido
a los días laborales y otras actividades.
Los requerimientos de agua para un sistema de distribución no son constantes
durante el año, ni el día, sino que la demanda varía en forma diaria y horaria.
Debido a la importancia de estas fluctuaciones para el abastecimiento de agua
potable, es importante obtener los gastos máximos diario y máximo horario.
Los cuales se determinaran multiplicando el coeficiente de variación diaria por
el gasto medio diario y el coeficiente de variación horaria por el gasto máximo
diario respectivamente.
Para la obtención de los coeficientes de variación diaria y horaria, para este
caso tenemos que considerar los valores de los coeficientes de variación diaria y
horaria medios que se obtuvieron del estudio q se llevo a cabo.
Tabla 9. Coeficiente de variación Diaria.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 44
2.7.7 Coeficiente de regularización.
La regularización tiene por objeto cambiar el régimen de suministro
(conducción), que normalmente es constante, a un régimen de demandas (de la
red de distribución), que siempre es variable. La capacidad de tanque de
almacenamiento está en función de gasto máximo diario y la ley de demandas
de la zona y localidad.
El coeficiente de regularización está en función del tiempo (número de horas
por día) de alimentación al tanque, requiriéndose almacenar el agua en horas
de baja demanda, para distribuirlas en horas de alta demanda.
Cuando no se conoce la ley de demandas de una localidad en particular, se
aplican estos valores:
Tabla 10. Coeficiente de regularización (ref.1)
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 45
CAPITULO III
MEMORIA DE CÁLCULO
En el presente capítulo con la ayuda de conceptos básicos de Mecánica de
Fluidos y Máquinas Hidráulicas determinaremos el valor de incógnitas ó
variables como el gasto volumétrico (Q), pérdidas hidráulicas (Hh), golpe de
ariete, entre otros. En otras palabras, se desarrollarán aspectos técnicos,
proporcionando más datos y argumentos para el diseño, selección de equipo,
materiales de los elementos del sistema y comenzar a trazar las líneas de
conducción hasta la estación de bombeo.
3.1 Cálculos preliminares.
A continuación se realizarán los cálculos de acuerdo a los datos obtenidos en el
capítulo II, con la ayuda de las tablas y ecuaciones utilizadas en los incisos
anteriores, para determinar las características de los elementos como son: la
tubería, zanjas para la tubería, pérdidas por fricción, equipos de bombeo para
la fuente de abastecimiento y la estación de bombeo, etc.
3.1.1 Diámetro de la tubería.
La tubería es el medio a través del cual se va a trasladar el fluido, desde la
fuente de abastecimiento hasta la estación de bombeo. Este es un elemento
principal del sistema, ya que en él se basó la proyección para el sistema de
bombeo. Para un diámetro dado, cuanta más gruesa sea la pared de la tubería
mayor será la presión que soportará y el costo por unidad de longitud de
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 46
tubería aumentará con la cantidad de material, la cual es proporcional al
diámetro multiplicado por el espesor.
Por tanto, se elegirá el diámetro mínimo que al mismo tiempo satisfaga los
requerimientos de flujo y el mínimo espesor de la pared que sea capaz de
soportar la máxima presión que se espera en el sistema a fin de reducir al
mínimo el costo de la tubería. De un modo sencillo, el diámetro de la tubería se
calculará con ayuda de la ecuación de continuidad:
Q = V A (ref. 4) -3-
Donde:
Q = Gasto volumétrico (m3/s ó lps).
V = Velocidad del fluido (m/s).
A = Área por la que el fluido corre (m2).
El único dato con que se cuenta es el gasto volumétrico, que para cuestiones de
diseño tomaremos el gasto máximo horario proyectado a 20 años el cual es de
97.12 lps de acuerdo a la (ref. 1), el área es la incógnita y la velocidad la
podemos tomar de la tabla 20 (ref. 3), la cual nos muestra la velocidad de flujo
para diferentes usos:
SERVICIO VELOCIDAD
Alimentación a calderas.
2.4 a 4.6 m/s (8 a 15
ft/s)
Succión de bombas a líneas de
Descarga
1.2 a 2.1 m/s (4 a 7
ft/s)
Servicios Generales 1.2 a 3 m/s (4 a 10 ft/s)
Distribución de Agua Potable Hasta 2.1 m/s (7 ft/s)
Tabla 11. Velocidades utilizadas para el flujo de agua en tuberías (ref. 4).
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 47
Sustituyendo en la ecuación anterior, se tiene:
0.09712 m3/s = (2.1 m/s) (A)
Despejando el área:
De la fórmula del área circular:
-4-
Despejando el diámetro:
-5-
El diámetro seria de D = 0.242 m (9.5 plg).
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 48
3.1.1.1 Velocidad del agua en tuberías.
Con ayuda del anexo 1, al final de esta tesis, comprobaremos el valor de la
velocidad tomado del manual de CRANE. Se trazará una línea recta de la
columna de caudal partiendo en el valor de 0.09712 m3/s, terminando en el
valor de 0.242m (9.5 plg) en la columna del diámetro nominal de tubería (anexo
1). Esta línea que se trazo, se intercepta con un valor en la columna de
velocidad en metros por segundo, en este punto el valor para la velocidad es de
aproximadamente 2.1 m/s. Con esto queda demostrado que el valor de la
velocidad seleccionado en la tabla 22, fue el correcto.
Para efectos de nuestro diseño, dentro de lo gastos de diseño tomamos el valor
del gasto máximo horario, ya que es el volumen máximo, que fluirá por la
tubería a cualquier hora del día, en cualquier día del año, al menos durante los
20 años de proyección del “Sistema de Bombeo”.
Hasta ahora, se tiene la medida de la tubería, pero no el material. Este se
elegirá haciendo la evaluación de costos y de sus características. El material de
la tubería con el que se hicieron los cálculos anteriores fue un acero cédula 40.
El diámetro ya fue calculado pero esta medida no coincide con ningún diámetro
comercial. Es por eso que momentáneamente tomaremos el valor inmediato
superior en cuanto a tuberías de acero cédula 40, el cual es de 0.254 m (10 plg).
3.1.2 Línea de conducción.
El conjunto de elementos, cualesquiera que sean, que formen la línea de
conducción deben garantizar su estanquidad y hermeticidad, cumpliendo como
mínimo con las características, especificaciones y métodos de prueba que se
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 49
establecen en las normas mexicanas de producto, mencionadas en el capítulo 3
de la NOM-013-CNA-2000 (ref. 6), las cuales son complemento de esta última.
3.1.2.1 Ubicación del “Sistema de Bombeo”.
La ubicación geográfica de la estación de bombeo y el pozo de abastecimiento, se
muestra en la figura 23. La simbología es la siguiente:
CONCEPTO SIMBOLO
ESTACION DE BOMBEO
PAZO DE ABASTECIMIENTO “COLONIA CENTRO”
LINEA DE CONDUCCION - - - - - - -
Debemos considerar para la toma de medidas, posición y trazos correctos se
tiene pensado en contratar a un topógrafo, que tenga unos gastos que se
adecuen a necesidades del proyecto.
3.1.2.2 Arreglo de la línea de conducción.
La línea de conducción se trazará de modo que no afecte ningún domicilio,
líneas de teléfono, drenaje, gas natural o cualquier tipo de estructura existente.
También procurando que haya la menor cantidad de quiebres o cambios de
dirección; esto para evitar las caídas de presión, turbulencia y pérdidas por
rozamiento.
Para ello, la tubería se colocará, siguiendo una ruta por las calles menos
estrechas, procurando que no exista ningún tipo de perjuicio tanto para las
comunidades como para a la tubería.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 50
Figura 23. Ubicación territorial del “Sistema de Bombeo”
La tubería de descarga del pozo es de 0.254 m (10 plg) al igual que la de
entrada a la estación de bombeo. Momentáneamente podemos manejar este
mismo diámetro para la línea de conducción. Como precedente de la longitud
total del “Sistema de Bombeo” y poder calcular las pérdidas por fricción.
3.1.3 Zanjas para la instalación de la tubería.
Las tuberías se instalan sobre la superficie o enterradas, dependiendo de la
topografía, clase de tubería o tipo de terreno. En nuestro caso, para obtener la
máxima protección de las tuberías se instalarán en zanja. Además de la
protección contra el paso de vehículos, en el tipo de instalación que se adopte,
se deben considerar otros factores relacionados con la protección de la línea,
como son el deterioro o maltrato de animales, la exposición a los rayos solares,
variación de la temperatura, etc. Para determinar las características de la
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zanja para alojar la tubería, nos apoyaremos en la tabla 12, de acuerdo al
Manual de Normas para Sistemas de Agua Potable.
Diámetro Nominal Ancho
(Vd.)
Profundidad
(H)
Espesor
de la
plantilla
Volumen de
la excavación
(cm) (plg) (cm) (cm) (cm) (m3/m)
15 6 70 110 10 0.77
20 8 75 115 10 0.86
25 10 80 120 10 0.96
30 12 85 125 10 1.06
45 14 90 130 10 1.17
Tabla 12. Dimensiones de la zanjas y plantillas para tuberías de agua potable.
La plantilla consiste en un piso de material fino, que en nuestro caso podemos
utilizar tepetate colocado sobre el fondo de la zanja, que previamente ha sido
arreglado con la concavidad necesaria para ajustarse a la superficie inferior de
la tubería, en un ancho cuando menos igual al 60% de su diámetro exterior.
Deberán excavarse cuidadosamente las cavidades o conchas para alojar la
campana o cople de las juntas de los tubos, del material que sea, a fin de
permitir que la tubería apoye en toda su longitud sobre el fondo de la zanja o la
plantilla apisonada. El espesor de este será de 10 cm, como puede verse en la
figura 24.
El resto de la tubería debe ser cubierto hasta un altura de 30cm arriba de su
lomo con material granular fino o bien podemos utilizar el material producto de
la excavación, colocado y compactado cuidadosamente con equipo manual, como
pueden ser palas y pisones y humedecido adecuadamente con agua tratada,
llenando todos los espacios libres abajo y adyacentes a la tubería (apostillado).
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 52
Este relleno se hace con capas que no excedan de 15 cm de espesor (figura 24).
El resto de la zanja podrá ser rellenado a volteo o compactado según sea el
caso: si la tubería se instala en zona urbana con tránsito vehicular intenso todo
el relleno será compactado, y si se instala en zonas con pocos tránsitos
vehiculares o rurales será a volteo. La siguiente figura muestra lo explicado
anteriormente:
Figura 24. Relleno de zanjas
3.1.4 Equipo de bombeo para el pozo.
Para comenzar, se seleccionará una bomba centrífuga vertical tipo turbina, ya
que de acuerdo al manual de normas de agua potable, alcantarillado y
saneamiento (ref. 1), son bombas para servicio en pozos donde el nivel del
líquido sobrepasa la altura de succión de las bombas. Estas bombas por lo
general se construyen con lubricación por aceite o por el mismo fluido
bombeado (auto lubricado) con tazones y difusores.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 53
En los siguientes incisos se determinarán los parámetros para poder
seleccionar, de entre varios fabricantes, un correcto equipo de bombeo; primero
para el pozo Nº 10 y enseguida para la estación de bombeo.
3.1.4.1 Cálculo de pérdidas por fricción.
El coeficiente de fricción es la variable de diseño que permite calcular las
pérdidas de energía en el escurrimiento por un conducto. Se ha exterminado
que en el diseño de conductos a presión de sistemas de agua potable, para
obtener las pérdidas de energía se utilice el modelo de Darcy-Weisbach.
Para el calcular las pérdidas utilizaremos el método de longitudes equivalentes
y como primer paso determinaremos que tipo de flujo (laminar, transición a la
turbulencia y turbulento) habrá en las tuberías, con ayuda del número de
Reynolds (Re), el cual dice lo siguiente:
Si Re < 2000; el flujo es laminar.
Si 2000 < Re < 10,000; el flujo está en transición a la turbulencia.
Si Re > 10,000; el flujo es turbulento.
Como el diámetro, tipo material y el fluido es el mismo para toda la tubería, se
utilizará la siguiente fórmula:
-6-
Re = Número de Reynolds (adimensional).
V = Velocidad del Fluido (m/s).
D = Diámetro de la tubería (m).
υ= Viscosidad cinemática del agua (m2/s)
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Sustituyendo valores en la ecuación anterior
-7-
Por lo tanto el tipo de flujo que habrá dentro de la línea de conducción es
turbulento y para ello, las pérdidas las calcularemos con la ecuación de Darcy-
Weisbach, la cual dice:
-8-
Donde:
Hf = pérdidas de energía en el escurrimiento por un conducto, (m).
f = Coeficiente de pérdidas por rozamiento, (adimensional).
L= Longitud total de la tubería, (m).
D = Diámetro nominal de la tubería, (m).
V = Velocidad del fluido, (m/s).
g = Aceleración de la gravedad, (m/s2).
Las pérdidas por fricción las calcularemos por longitudes equivalentes, por lo
tanto la ecuación 8, quedará de la siguiente manera:
-9-
Donde:
ΣL = Sumatoria de longitudes de los tramos rectos de tuberías (m).
ΣLe = Sumatoria de longitudes equivalentes de accesorios diversos (m).
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El factor (f) que está en función de dos valores: la rugosidad relativa, que se
obtiene de dividir la rugosidad absoluta del material de la tubería (ε) (anexo 4)
entre el diámetro de la tubería (D); y del número de Reynolds, que se obtuvo
con la ecuación 7.
Nos apoyaremos en el diagrama de Moody (anexo 2), para obtener el factor de
fricción (f), por lo tanto de acuerdo con los valores anteriores se obtuvo que:
Re=407,798.16
-10-
Del diagrama de Moody, se tiene que: f= 0.0154 3.1.4.2 Pérdidas primarias.
Para determinar la longitud de los tramos rectos nos auxiliamos de la figura 4,
modificada para trabajar únicamente sobre las líneas de conducción, para
obtener las siguientes medidas:
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Figura 25. Longitud de los tramos de las líneas de conducción
3.1.4.3 Pérdidas secundarias.
Se refiere a la longitud equivalente (Le), de todos los accesorios o elementos del
sistema que no se consideren tramos rectos, los cuales pueden ser codos,
válvulas, etc. Las longitudes equivalentes de los accesorios se obtuvieron de la
siguiente manera:
Al final de esta tesis en el anexo 3, se muestra el tipo de accesorio y la fórmula
para obtener el coeficiente de resistencia K, al obtener este valor en el anexo 6,
se trazó una línea vertical desde el valor del diámetro del accesorio elegido, en
el inferior de la columna de “d, diámetros interior de la tubería” hasta la curva
correspondiente al valor de K, la intersección de esa dos líneas, se recorre hacia
el límite derecho de esta misma columna, desde el cual se traza una línea recta
al mismo valor del diámetro del accesorio, en la columna “d, diámetro interior
de la tubería”.
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En medio de estas dos columnas está la propia de las “Le, longitudes
equivalentes en metros de tubería”, el punto de cruce de la última recta trazada
y ésta columna corresponderá al valor de la longitud equivalente del accesorios
en cuestión. Estos mismos pasos se repiten para obtener la (Le) de cualquier
accesorio.
Contaremos con los datos siguientes: velocidad del fluido (2.1m/s), diámetro de
la tubería (0.254m) y sobre todo la constante de la aceleración de la gravedad
(9.81m/s²); de la tabla 13, obtendremos las longitudes de la derivaciones. ELEMENTOS DE TUBERIA EN LA LINEA DE DERIVACION
TRAMO
ACCESORIOS Le (m)
LINEA
DE
CONDUCCION
*Tubería
Codo 22°
*Tubería
Codo 22°
*Tubería
Codo22°
*Tubería
Codo 90°
*Tubería
Codo 90°
*Tubería
Codo 90°
*Tubería
Te
45
1.6
105
1.6
115
1.6
97
8.2
550
8.2
40
8.2
40
16
=∑ r 1037.4 metros
Tabla 13. Sumatorias de longitudes, en la línea de derivación.
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(*) Los tramos de tubería rectos, la longitud equivalente es la longitud del
tramo. Tentativamente los accesorios de la línea de conducción serán de acero
cédula 40, con un diámetro de 0.250 m (10 pulg).
Sustituyendo los valores en la ecuación siguiente, tenemos que:
-11-
3.1.4.4 Carga dinámica total.
Se determina la energía requerida para impulsar el líquido desde el nivel de
succión hasta el nivel de descarga venciendo las resistencias que ofrece la
tubería y los accesorios, al paso del fluido. En este punto haremos algunas
aclaraciones correspondientes.
La carga dinámica total, se define como la suma total de resistencia del
sistema, correspondiente a la carga estática total, a la pérdida de carga por
fricción en la tubería de succión y descarga y a la carga por velocidad.
CDT = He + Hf + Hv -12-
Donde:
He = hd – hs
( )( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
²/81.92²/1.2
254.04.10370154.0
smsm
mmHf
mHf 732.6=
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 59
Carga estática total, (m). Es la suma algebraica de la carga estática de
descarga más la carga estática de succión, pero lo de nosotros es caso contrario
por el sistema que es de altura estática de succión, por lo tanto se restarán
ambos términos.
Hf = Hfs + Hfd; -13-
Esto es la carga requerida para vencer la resistencia de un líquido a fluir en
una tubería y sus accesorios, dependiendo del tamaño y tipo de tubo así como
de la naturaleza del líquido a manejar y del tipo y cantidad de dichos
accesorios.
Hv = V²/2g; -14-
Es la energía contenida en un líquido, como resultado de su movimiento a una
velocidad. Es la carga necesaria para acelerar el fluido. Donde (V) es la
velocidad del líquido y (g) es la aceleración de la gravedad.
Considerando los datos que se tienen de la CDT. Los valores de He, Hf y Hv,
suponemos que están implícitos en el valor de la carga, al menos para el tramo
de succión. Por lo tanto la ecuación para determinar la CDT del sistema queda
de la siguiente manera:
CDT = CDTs + CDTd -15-
CDT = CDTs + He + Hf1-2 + Hv -16-
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 60
Donde:
CDTs = Carga dinámica total de succión (mca).
CDTd = Carga dinámica total de descarga (mca).
Para la CDTd se determinará de igual modo que en la ecuación 16, utilizando
las mismas variables. He, como ya dijimos será igual a cero, ya que la distancia
entre el eje de la descarga de la bomba y el nivel del líquido en el tanque será
prácticamente el mismo, por encontrarse ambos puntos a la misma altura sobre
el nivel del mar. Hf1-2, ya fue calculado y Hv, se obtiene de sustituir valores en
la siguiente ecuación:
-17-
Por lo tanto para determinar la carga dinámica total en la línea de conducción,
se sustituyen los datos en la ecuación (16):
CDT = CDTs + He + Hf1-2 + Hv
CDT = 100.9 m + 0 + 37.21 m + 0.224 m
CDT = 138.33 mca (453.83ft).
( )2
22
/81.92/1.2
2 smxsm
gVHv ==
mHv 224.0=
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 61
3.1.4.5 NPSH-D (Carga neta positiva en la succión disponible).
A ciencia cierta la carga neta positiva de succión disponible no la sabemos, pero
lo que sí sabemos es que, esta debe ser mayor a la carga neta positiva en la
succión requerida, este dato lo otorga el fabricante en las gráficas de la bomba,
por lo tanto teniendo la condición:
NPSH-D ≥ NPSH-R
Entonces podemos elegir una bomba que tenga un NPSH-R expresado en
metros menor, al valor del nivel estático del pozo. El cual para el pozo es de
67m. Como práctica común es recomendable agregar un factor de seguridad, al
NPSH-D que de acuerdo al Manual de Agua Potable, Alcantarillado y
Saneamiento se recomiendan los siguientes:
SERVICIO Factor
Para condiciones de instalación bien definidas. (Ya
instalas). 1.0
Para diseños de servicios nuevos. 1.1 (mínimo)
Tabla 14. Factor de seguridad al valor del NPSHD
3.1.4.6 Golpe de Ariete.
El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por tanto de régimen variable,
en que la tubería ya no es rígida y el líquido es compresible. Este fenómeno se
produce en los conductos al cerrar o abrir una válvula y al poner en marcha o
parar una máquina hidráulica, o también al disminuir bruscamente el caudal.
Si se cierra una válvula rápidamente, en virtud del principio de conservación
de energía, al disminuir la energía cinética, esta se va transformando en un
trabajo de compresión del fluido, que llena la tubería y en el trabajo necesario
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 62
para dilatar esta última. Se ha producido una sobre presión, o un golpe de
ariete positivo.
Por el contrario al abrir rápidamente una válvula se puede producir una
depresión, o un golpe de ariete negativo. Al cerrarse por completo
instantáneamente una válvula, se origina una onda de presión que se propaga
con una velocidad (C), la cual en el instante considerado tiene una dirección
contraria a la velocidad (V) del fluido, originando sobre presiones y depresiones
en la tubería, la cual se dilata o contrae al paso de la onda.
El flujo que se maneja es agua de pozo profundo, por lo que se supondrá que se
encuentra a una temperatura de 10ºC. El primer cálculo que haremos será el de
la velocidad de la onda de presión que se propaga dentro de la tubería,
desarrollada por el cierre instantáneo de una válvula al final de la tubería, con
ayuda de la siguiente fórmula:
-18-
Donde:
c = celeridad onda elástica del fluido en la tubería, (m/s).
EV = módulo de elasticidad de volumétrico del fluido, (2.03 E5 N/cm2).
ρ = densidad absoluta del agua, (1000 Kg/m3) (ref. 4).
D = diámetro de la tubería, (m).
E = módulo de elasticidad del material de la tubería; tomando como valor
medio
Del módulo de Young para el acero (2.5 E11 N/m2) (ref. 4).
t = espesor de la tubería, (m) (ref. 3).
EtDE
E
cV
V
+=
1
ρ
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Sustituyendo valores en la ecuación tenemos lo siguiente:
La sobrepresión ejercida por el golpe de ariete, en un cierre instantáneo total
de la válvula al final de la tubería, se determina con la fórmula:
Δp = ρ c v -19-
Donde:
Δp = sobre presión ejercida por el golpe de ariete, (N/m2).
ρ = densidad del fluido, (kg/m3).
c = celeridad de la onda, (m/s).
v = velocidad del fluido, (m/s).
Sustituyendo valores:
Δp = 1000 kg/m3 (1,289.4 m/s) (2.1 m/s).
Δp = 2.7 E6 N/m2 (2.7 GPa)
Los valores obtenidos de (c) y (Δp) son resultado de un análisis teórico, puesto
que el rango de (Δp) permisible para redes de distribución de agua potable, de
acuerdo a la norma 013 de la CNA, nos dice que no debe ser mayor a 0.5 MPa.
( )( )mmNx
mmNx
mkgmNx
c
00927.0/105.2254.0/1003.21
/1000/1003.2
211
29
3
29
+
= smc /4.1289=
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Si el proyecto es aceptado, será importante analizar las diferentes formas para
disminuir la presión en la tubería. De modo que tengamos una tubería con un
espesor que no aumente demasiado el costo por unidad de longitud pero que
también sea capaz de soportar la presión normal en sistemas de abastecimiento
de agua potable, de acuerdo a la norma mencionada anteriormente.
3.1.4.7 Potencia Hidráulica.
Para este inciso tomaremos algunos de los datos anteriores más el valor del
gasto máximo horario (QMh) el cual es de 97.12 lps. Este valor es el gasto que
se tendrá que proporcionar a los 20 años en que está proyectado el sistema.
Ahora bien para calcular la potencia hidráulica, en el SI se tiene la siguiente
fórmula:
NH = Q CDT γ -20-
Donde:
Q = gasto, en (m3/s).
CDT = carga dinámica total, en (mca).
γ = peso específico del fluido a 10 ºC, en (N/m3)
Sustituyendo valores, tenemos que:
NH = 0.09712 m3/s (138.33 mca) (9804 N/m3) = 131x103 J/s.
NH = 131 kW.
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3.1.4.8 Selección de equipo.
En el catálogo de equipos de bombeo del grupo industrial GM S.A. de C.V.,
encontramos que la curva de comportamiento de la bomba modelo PF70-NW
14”, recomendada para pozo profundo, para distribución y suministro de agua
potable, es la que más se ajusta a nuestras necesidades. La curva de
comportamiento proporcionada por el grupo industrial GM, correspondiente a
este tipo de bomba la podemos encontrar en el inciso 7, de la sección de anexos
al final de este trabajo.
Pensando en que hay que encontrar un equipo comercial y que las condiciones
de operación y de abastecimiento en el pozo van a cambiar en los siguientes 20
años, que es el tiempo de proyección del sistema, el gasto lo manejaremos con
un valor de 100 lps o 0.1 m3/s, no es mucho el aumento, pero también hay que
tener en cuenta de que en la unidad habitacional habrá un ligero aumento de
población. Para tener completa la ficha técnica (tabla 15), del modelo de bomba
que seleccionamos, algunos de los datos los determinaremos nosotros de
acuerdo a los parámetros de nuestro sistema:
a) Para Seleccionar el número de pasos que tendrá nuestro equipo, hay que
dividir la CDT (pies) calculada, entre la carga (pies) correspondiente a la
curva, que vence cada paso o etapa, si el gasto es de 100 lps y la
eficiencia es del 84%.
Número de pasos -21-
b) Los pies/paso lógicamente es la CDT (pies) calculada, entre el número de
pasos obtenido anteriormente:
-22-
pasospasospiespies 538.4
1033.451
≈==
piespiesdepasosNoCDTpasospies 26.903.451.
/ =5
==
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c) La eficiencia equipo es el producto de la eficiencia de la bomba (ref. 14) por la
eficiencia del motor.
d) La potencia de la bomba (potencia al freno) se determino en base a la
siguiente fórmula:
23-
Donde:
BHP = Potencia al freno, (HP).
Q = Gasto, (lps).
CDT = Carga dinámica total, (m).
76 = Constante de conversión a HP.
η = Eficiencia de la bomba, expresada en centésimas.
Tabla 15. Ficha técnica del equipo seleccionado.
( ) HPWmNmsmCDTQBHP 5.2168.16145084.0
/980433.138/01)( 33
====η
γ
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Tabla 16. Ficha técnica (continuación).
3.1.5 Equipo de bombeo para la estación.
3.1.5.1 Carga dinámica total.
Para poder hacer un análisis correcto y aplicar las ecuaciones correspondientes
haremos una figura sencilla mostrando cómo es el sistema en la estación de
bombeo:
Para obtener la ecuación del sistema nos apoyaremos en la ecuación de
Bernoulli, la cual se muestra a continuación:
-24-
(Ref.3)
Donde:
(Pa / γ) = Carga de presión en el punto (a), (m).
(Va2 / 2g) = Carga de velocidad en el punto (a), (m).
Za = Carga potencial en el punto (a), (m).
Hfa-b = Pérdidas por fricción entre loas puntos (a y b), (m).
HB = Altura o carga de la bomba (CDT).
(Pb / γ) = Carga de presión en el punto (b), (m).
Zbg
VaPaHHfZag
VaPaBba +⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=+−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛− 22
22
γγ
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(Vb2 / 2g) = Carga de velocidad en el punto (b), (m).
Zb = Carga potencial en el punto (b), (m).
Consideraciones:
- Los puntos (a) y (b) se encuentran sobre la superficie libre del líquido y en
esos puntos la presión manométrica es igual a cero.
- La diferencia de velocidades entre los puntos (a) y (b) es prácticamente cero,
- La carga de altura en el punto (a) es igual a cero ya que está sobre el plano de
referencia o eje (x-x’).
Por lo tanto la ecuación del sistema queda de la siguiente manera:
HB = Zb + Hfa-b. -25-
El resultado de la HB lo obtendremos por longitudes equivalentes, y de manera
similar al inciso 3.1.4.3, y partiendo de los siguientes cálculos:
Para el tramo de succión:
a) Cálculo de la velocidad para el tramo de succión. De la ecuación (3) se tiene
que:
Q = V A; al despejar la velocidad se tiene:
b) Para obtener el factor de fricción (f) se utiliza la ecuación (6) y la rugosidad
( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡≈
− 02
22
gVaVb
( ) smmAQV /112.0
41524.0
0135.02
3
===π
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relativa que es el cociente de la rugosidad absoluta entre el diámetro de la
tubería.
Los valores de (ε) y de (υ) los obtenemos de los (anexos 4 y 5), respectivamente:
Del diagrama de Moody (anexo 2), se tiene que: f= 0.022 c) Para calcular las pérdidas en el tramo de succión utilizaremos la ecuación de
Darcy-Weisbach, (14): la cual nos dice que:
Para el tramo de descarga:
a) Q = V A; despejando la velocidad:
b)
( )
54.049,13Re
10308.11524.0/112.0Re 6
=
== −xmsmVD
υ
1524.0
1524.000005.0
=
=
ε
εD
( )( ) 000276.0
/81.92/112.0
1524.03022.0
2 2
22
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
smsmm
gV
DLfHf
( ) smmAQV /416.0
42032.0
0135.02
3
===π
( )
3.626,64Re
10308.12032.0/416.0Re 6
=
== −xsmVD
υ
000246.0
2032.000005.0
=
=
ε
εD
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Del diagrama de Moody (anexo 2), se tiene que: f = 0.0205 c) Para calcular las pérdidas en el tramo de descarga utilizaremos la ecuación
de Darcy-Weisbach, modificada para longitudes equivalentes (ecuación 15). Las
longitudes quivalentes las podemos obtener con la ayuda de tabla 24 del inciso
3.1.4.3, así las longitudes equivalentes de los accesorios a partir de la brida de
descarga de la bomba (ver figura 3) son:
Tabla 17. Sumatoria de longitudes, en el sistema de la estación de bombeo.
(*) Son tramos rectos, por lo tanto la longitud equivalente es la longitud del
tramo. Tentativamente, todos estos elementos serán de acero cédula 40.
Sumando las pérdidas del tramo de succión más las del tramo de descarga se
tienen las pérdidas totales:
Hfa-b = 0.000276 m + 0.03748 m = 0.037756 m
Entonces sustituyendo en la ecuación (28), se tiene que:
mHf
smsm
mm
gV
DLeLfHf
03748.0
)/81.9(2)/416.0(
2032.013.420205.0
2 2
22
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Σ+Σ
=
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 71
HB = Za + Hfa-b = 28.35 m + 0.037756 m = 28.387 m
CDT = 28.38 m
3.1.5.2 Cálculo del golpe de ariete.
Anteriormente se había explicado, en que consistía el fenómeno del golpe de
ariete (inciso 3.1.4.6), en esta sección nos ocuparemos únicamente de los
cálculos. El primer cálculo que haremos será el de la velocidad de la onda de
presión que se propaga dentro de la tubería, desarrollada por el cierre
instantáneo de una válvula al final de la tubería, con ayuda de la siguiente
fórmula:
EtDE
E
cV
V
+
=
1
ρ
Donde:
c = celeridad onda elástica del fluido en la tubería, (m/s)
EV = módulo de elasticidad de volumétrico del fluido, (2.03 E5 N/cm2)
ρ = densidad del fluido, (Kg/m3)
D = diámetro de la tubería, (m)
E = módulo de elasticidad del material de la tubería; (2.5 E11 N/m2).
t = espesor de la tubería, (m) (ref. 4).
Sustituyendo valores en la ecuación, se tiene:
smc
mmNxmmNx
mkgmNx
c
/9.299,1
)00818.0(/105.2)2032.0(/1003.21
/1000/1003.2
211
29
3
29
=
+
=
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 72
La sobrepresión ejercida por el golpe de ariete, en un cierre instantáneo total
de la válvula al inicio de la descarga de la bomba es:
Δp = ρ c v
Donde:
Δp = sobre presión ejercida por el golpe de ariete, (N/m2).
ρ = densidad del fluido, (kg/m3).
c = celeridad de la onda, (m/s).
v = velocidad del fluido, en el tramo de descarga (m/s).
Sustituyendo:
Δp = 1000 kg/m3 (1,299.9 m/s) (0.416 m/s).
Δp = 540.758 E3 N/m2; (0.54 MPa).
Este valor es aceptable y entra dentro del rango de presión máxima permisible
para redes de distribución de agua potable, de acuerdo a la norma 013 de la
CNA (ref. 19), el cual nos dice que no debe ser mayor a 0.5 MPa (5 kg/cm2),
pero aún así, si el proyecto es aceptado, será importante analizar las diferentes
formas para disminuir la poca sobrepresión en la tubería.
3.1.6 Curva del sistema en la estación de bombeo (Q-H).
La curva del sistema en la sección de la estación de bombeo es la que sólo podrá
ser graficada, debido a que en ésta sección si se cuentan con los datos
necesarios en cuanto a las distancias y alturas precisas entre si, de los equipos
de bombeo, tanques de regulación y elevado.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 73
Para determinar las ecuaciones que nos ayudarán a graficar la curva del sistema, partiremos
de la figura 8 y del mismo razonamiento que dio origen a la ecuación 25:
HB = Zb + Hfa-b.
Las pérdidas por rozamiento que hay entre los puntos (a-b), se dividen en
primarias y secundarias entre ambos puntos:
Hfa-b = hpa-b + hsa-b. -26-
A su vez las pérdidas primarias y secundarias pueden expresarse de la siguiente forma:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛Σ+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=− g
Vkg
VDLtfHf Tba 22
22
-27-
Por lo tanto la ecuación 27, queda de la siguiente forma, que a su vez será la
ecuación 30, que nos ayudará a trazar la curva del sistema:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛Σ+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
gVk
gV
DLtfzH TbB 22
22
-28-
De la ecuación de continuidad obtendremos la ecuación 29, que quedará en
función del gasto, el cual tendrá el valor que utilizamos en el inciso 3.1.5.3 para
selecciona el equipo, el cual es de 15lps:
AVQ ⋅=
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 74
000246.0
682.351,155Re
=
=
D
V
ε
mm
D
xVxVD
2032.000005.0
10308.1254.0Re 6
=
== −
ε
υ
Despejando a la velocidad: AQV =
De la fórmula del área circular:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
4
2DQVπ
Resultando: 2
4DQV
π= -29-
Sustituyendo en la ecuación anterior, el diámetro de descarga del sub-sistema
de la estación de bombeo y resolviendo nos queda como ecuación 30:
V = 30.836 Q -30-
De la ecuación de Reynolds para flujo turbulento y con la rugosidad relativa,
utilizadas para obtener el factor de fricción (f) en el diagrama de Moody (anexo
2), se obtienen las ecuaciones 31 y 32, respectivamente:
-31-
-32-
Simplificando y dejando en términos de (Q) y de (f) a la ecuación 30, tendremos
que sustituir los datos que tenemos, con la condición de que la velocidad (V), se
sustituirá tal y como está en la ecuación 31, quedando de la siguiente manera:
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 75
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Σ+
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=
gDQ
kg
DQ
DLtfzH TbB 2
4
2
4 2
22 ππ
Simplificando la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Σ+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
gDQk
gDQLfzH T
TbB 42
2
52
2 88ππ
Sustituyendo los datos que tenemos y dejando la ecuación en términos de (Q) y
de (f), tenemos que la tercera ecuación nos queda de la siguiente forma:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
)81.9)(254.0(80027.0
)81.9)(2032.0()13.42(853.28 42
2
52
2
ππQQfH B
Nota: El coeficiente (ΣKT), es la suma de los coeficientes de resistencia
parciales correspondientes a los accesorios de este sub-sistema, (anexo 3 y 6).
Por lo tanto simplificando la ecuación anterior:
HB = 28.35 + 10,048.336 f Q2 + 0.1308549 Q2.
Con esta última ecuación que es la forma reducida de (28), podremos graficar la
curva del sistema, dando diferentes valores para el gasto (Q). Los valores de
velocidad (V), los obtendremos con (30), los del número de Reynolds (Re) con
(31), la rugosidad relativa (ε/D) con (32), que a su vez con estas dos últimas y el
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 76
diagrama de Moddy se obtendrán los valores para el factor de rozamiento (f). Mostrándose los resultados en la siguiente tabla:
Q(m3/s) V (m/s) Re f H (m)
0.000 0.000 0.000 0.000 28.3500
0.006 0.185016 28,742.5468 0.0240845 28.3608
0.009 0.277524 43,113.8202 0.0220979 28.3726
0.012 0.370032 57,485.0935 0.0208842 28.3880
0.015 0.46254 71,856.3669 0.0200441 28.4081
0.018 0.555048 86,227.6403 0.0194189 28.4317
0.021 0.647556 100,598.9138 0.0189312 28.4590
0.023 0.09228 110,179.7627 0.0186601 28.4793
Tabla 19. Valores para graficarme la curva del sistema (Q-H).
A continuación se trazará la curva de comportamiento del sistema, en la
sección de la estación de bombeo:
Curva No. 2. Curva del Sistema
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3.1.6.1 Curva de la bomba.
Para trazar la curva de la bomba y compararla con la del sistema emplearemos
la siguiente ecuación:
H BOMBA = A Q2 + B Q + C -33-
De la curva de comportamiento de la bomba (anexo 8), se tomarán los valores
de carga que correspondan a la intersección de, la línea vertical de los valores
de gasto elegidos al azar y de la curva de eficiencia. Los valores tomados se
muestran sustituidos en la ecuación 35:
10.9 = A (0.006)2 + B (0.006) + C
9.14 = A (0.015)2 + B (0.015) + C
4.41 = A (0.023)2 + B (0.023) + C
Estos tres valores forman un sistema de ecuaciones que al resolverlo los valores
de los coeficientes, tienen los siguientes valores:
A = -23,277.7; B = 293.41; C = 9.978
Por lo tanto la ecuación 35 que representará la gráfica de la bomba, es la
siguiente:
HBOMBA = -23,277.7Q2 + 293.41Q + 9.978 -34-
En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos de gasto y carga,
obtenidos de la ecuación 36, para los cuatro pasos con que contara el equipo de
bombeo:
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 78
Q (m3/s) H (m)
0 34.93
o.oo6 33.79
o.oo9 33.26
o.o12 31.43
0.015 28.33
0.018 23.9
0.021 18.19
0.023 13.67
Tabla 20. Valores para graficar la curva de l bomba.
A continuación se trazará la curva de comportamiento de la bomba, en la
sección de la estación de bombeo:
Curva No. 3. Curva de la bomba
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 79
3.1.6.2 Curva del sistema contra curva de la bomba.
Una vez graficadas la curva del sistema y de la bomba podemos compararlas y
verificar que los cálculos hechos anteriormente fueron correctos:
Q (m3/s) H (m), del
sistema
H (m), del
sistema
0 28.3500 34.9000
o.oo6 28.3608 33.7900
o.oo9 28.3726 33.2600
o.o12 28.3880 31.4300
0.015 28.4081 28.3300
0.018 28.4317 23.9000
0.021 28.4590 18.1900
0.023 28.4793 13.6700 Tabla 21. Datos para Graficar ambas curvas.
Curva No. 4. Curva de la bomba contra curva del sistema.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 80
En el punto en que se interceptan ambas curvas se tiene como gasto, Q= 15lps
y carga, H= 28.36m, aproximadamente. En este punto la eficiencia de la bomba
es del 82%.
3.1.7 Desinfección.
El objetivo básico de un sistema de agua potable, es poder ser aplicado para la
satisfacción de las necesidades y actividades domésticas, comerciales e
industriales del hombre. Esto implica que el abastecimiento a las comunidades
cumpla con un mínimo de normas, para tener la calidad necesaria en cuanto a
olor, sabor y color del agua.
La desinfección de una red o de un elemento de red de distribución de agua
potable tiene por objeto principal eliminar las condiciones bacteriológicas del
agua entre el punto de captación, que en nuestro caso es un pozo y el de
consumo que son los departamentos que integran la colonia en cuestión.
A este respecto seguiremos lo indicado en los incisos 5, 6 y 7 de la NOM-230-
SSA1-2002 (ref. 18). Para poder asegurar que el agua cumple con cierta calidad
y eliminar microbios o virus dañinos al cuerpo humano, nuestro sistema de
bombeo debe contar con algún método de desinfección, que asegure las buenas
condiciones del agua, para su consumo. Al darle calidad sanitaria al agua se
previenen enfermedades transmitidas por ella como la tifoidea, salmonelosis,
disenterías, gastritis, enteritis, etc.; además de que se fomentan hábitos
higiénicos que también contribuyen a la disminución de otras enfermedades.
En nuestro caso haremos del Cloro (Cl2), el elemento de desinfección del agua
que abastecerá a nuestra estación de bombeo, debido a su gran eficacia, incluso
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en dosis extremadamente pequeñas y a su facilidad de empleo, es el reactivo
mas utilizado para la esterilización del agua.
3.2 PROPUESTA DE SELECCIÓN DE EQUIPO
Se ha determinado el valor de las variables que nos marcan las características
de diseño de nuestro “Sistema de bombeo”, en base a estos resultados
seleccionaremos equipos de bombeo, los materiales y el método de construcción
más económico pero que a su vez, cumpla con los requerimientos mínimos de
diseño, con el objeto de que nuestro proyecto demuestre ser rentable.
3.2.1 Datos de proyecto.
Hemos llegado casi al final del planteamiento del proyecto y de las variables
que le dan forma. A manera de resumen y para contar con un espacio en el cual
se puedan localizar todos los datos de este proyecto, a continuación se
mencionarán en la siguiente lista:
3.2.2 Equipos de Bombeo.
Equipo de bombeo para el pozo.
Para este punto es necesario entra al catalogo de equipos de bombeo de nuestro
proveedor, de esta manera se compara diferentes ofertas, que él tiene en su
catalogo.
Considerando, los parámetros carga-gasto, entramos en la curva y así
podemos comparar y seleccionar el equipo adecuado. A continuación se
representa en la curva del proveedor nuestros parámetros correspondientes
dándonos lo siguientes:
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 82
Curva No. 5. Curva de la bomba
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 83
Con la carga (pies) y el gasto en (GPM), fue como ingresamos a la cuerva, así se
pudo comprobar q la selección del equipo fue la adecuado obteniendo una
eficiencia, satisfactoria para nuestro proyecto.
De esta forma obtenemos q el equipo de bombeo a seleccionar es el siguiente:
modelo PF70-NW 14” del grupo industrial GM S.A. de C.V., recomendada para
pozo profundo, para distribución y suministro de agua potable, el cual es el que
mas se ajustan a nuestras necesidades.
3.2.3 Proceso de construcción.
En este punto se hará la descripción en general, de la construcción del “Sistema
de Bombeo”, partir del pozo Nº 1 del ramal “Carretera el quintero-Chapa de
Mota” hasta la estación de bombeo de la Colonia Centro Barrio Primero,
teniendo que:
1. Colocación de la bomba vertical tipo turbina para pozo profundo marca
GM, modelo GM PF-70NW 14”, para un gasto de 100 lps con una CDT de
137.5 mca. Incluye materiales, herramientas, acarreos y mano de obra
para su correcta ejecución.
2. Construcción del tren derivador. Material, fierro fundido. Ver figura 5b.
• Corte en la línea de descarga.
• Unión de la pieza especial de división (“T”).
• Construcción del atraque.
• Colocación de las piezas especiales de fierro fundido (fo.fo.) bridadas y
con un diámetro de 8 plg.
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3. Construcción de zanja para tubería de 0.203m (8 plg) con un ancho Bd=
0.75m, por una altura H= 1.15m para la presupuesta (ref. 16), se tendrán que
manejar los siguientes conceptos:
• Material tipo A: tierra, (tipo seco).
• Material tipo B: roca suelta “boleos”, (tipo seco).
• Material tipo C: roca fija, (tipo seco).
3.2.4 Aplicación del Proyecto.
En este inciso veremos lo relacionado a la aplicación del proyecto, es decir en
que medida se podrá llevar acabo. Este inciso tal vez hubiera quedado al inicio
de esta tesis, pero las consideraciones que tomaremos en cuenta no las
sabíamos antes.
El costo total del proyecto, es uno de los parámetros importantes que decidirá si
se aplicará o no el proyecto, pero existen otros, como lo es el hecho de que la
fuente de abastecimiento por encontrarse en una zona federal, es operado por
la Comisión Nacional del Agua como se menciono en el inciso 1.2, propuestas de
solución, al municipio de San Felipe Coamango se le cedieron 20 títulos para la
perforación y equipamiento de pozos, por eso se buscó el apoyo de algún otro
pozo.
También como ya se dijo, se cuenta con un problema de escasez de agua
potable, que por varias causas ha crecido considerablemente. Es por eso que en
esta tesis se hace mención a una posible solución.
Que si bien llegando a acuerdos entre los municipios involucrados y
beneficiándose entre si mismos, este alterno “Sistema de Bombeo”, no tendría
ningún impedimento para poder llevarse a cabo.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 85
CAPITULO IV
ANALISIS ECONOMICO
La finalidad de este capítulo es, determinar los gastos y costos de nuestro
proyecto, tomando en cuenta todos los factores, elementos y accesorios del
sistema de bombeo en planteamiento. Considerando al final una cantidad con
la cual podamos convencer a S.A.P.A.SA.C., para q pueda evaluar y sobre todo
apoyar la aplicación de este proyecto. También se hará mención de las
distintas formas de cómo y quiénes pagarían esta alternativa de solución.
Se determinara de un modo sencillo el costo del proyecto, así también se
mencionaran las actividades a desarrollar o bien conceptos de ejecución en
orden de construcción, todo está basándonos en la forma de cotización de
S.A.P.A.SA.C., en lo que este tipo de obra requiera. Todas las actividades o
conceptos q se realicen se vaciarán en una hoja de datos de control, las cuales
contienen los datos necesarios que se desean conocer como: clave del proyecto,
actividad, unidad de medida, cantidad del concepto, precio unitario y el
importe.
Con la cotización que se realice en los importes por conceptos a desarrollar
considera: mano de obra, herramientas utilizadas, energía eléctrica, etc. El
orden de construcción, elementos y materiales pueden cambiar o verse
alterados todo esto con el objeto de reducir costos, debido que es necesario que
S.A.P.A.SA.C., estudie y evalúe el proyecto para su posible aplicación. Para el
manejo de estos conceptos se utilizaran hojas de control.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 86
Las hojas nos servirán para vaciar la cantidad necesaria de datos para tener un
costo total del proyecto completo. Como se hizo mención anteriormente los
materiales de tubería y accesorios pueden cambiar a modo de reducir costo
total del proyecto, lo que si no cambiara serán las dimensiones de los elementos
de nuestro nuevo “SISTEMA DE BOMBEO”. Una vez hecho todos los análisis,
veremos los aspectos importantes que de igual forma son decisivos para la
aplicación y puesta en marcha de nuestro proyecto en mente.
Cla
ve
Concepto Uni
dad
Cantidad Precio
Unitario
Importe
001 Equipo de bombeo centrífugo
vertical tipo turbina, lubricado
por agua, para pozo profundo
Pza
.
1 130,000.
00
130,000.00
002 Limpieza, trazo y nivelación
topográfica del terreno, incluye
todo lo necesario para su correcta
ejecución.
m 2
0.8X2000
1,600.00
4.0 6,400.00
003 Excavación para las zanjas de 0 a
2.00 m de profundidad m 3 0.8X1.15
X2000
1,840
16.00 29,440.00
004 Limpieza, trazo y nivelación
topografía de la zanja,
estableciendo ejes de referencia.
m 2
0.8X2000
1,600.00
6.0 9,600.00
005 Plantilla apasionada en zanjas
con material de banco tezontle
puesto en obra.
m 3 0.1X0.8X
2000
160
100.0 16,000.00
005 Suministro e instalación de
tubería de asbesto. incluyendo
mL. 2000 220.00 440,000.00
006 Relleno de la zanja con materiales m 2 0.3x0.8x2 6.50 3,120.00
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“A” producto de la excavación. 000
480.00
007 Relleno de la zanja con materiales
de banco m 2 0.54x0.8x
2000
864.00
6.50 5,616.00
008 Suministro del equipo de bombeo
centrifuga vertical tipo turbina
completo lubricado por agua, para
pozo profundo marca BIMSA.
Modelo
Pza
.
1 32,119.0
0
32,119.00
Tabla 22. Presupuesto de Obra
El costo total del Sistema de Bombeo para la zona centro de la comunidad de
San Felipe Coamango, Chapa de Mota, Estado de México.
SUMA $672,295.00
IVA $100,844.25
TOTAL $773,139.25
Considerando este costo total afectado por variaciones en los costos parciales de
mano de obra o de los materiales, equipo de bombeo, accesorios e inflación.
4.1 Financiamiento del proyecto.
4.1.1 Pago del sistema de bombeo.
Al principio se tenía pensado hacer la distribución equitativa de contribuyentes
que se haría por parte de todas las partes involucradas para la realización de
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 88
este proyecto. Para la determinar quiénes y en qué cantidad aportarían para la
realización del sistema de bombeo, considerando que se solicitara apoyo a la
CNA, con las siguientes condiciones
El uso del agua potable en este sistema de bombeo, es razonable y
justificable, si tomamos en cuanta el hecho de que el hombre tiene la
necesidad de abastecerse, dentro de un marco legal y normativo del
preciado recurso.
En los tres niveles de gobierno se tendrá un mayor registro y control, al
tener detectados los puntos de consumo, es decir se normalizara a las
conexiones irregulares y podría asegurarse el abastecimiento a
consumidores de nuevo ingreso.
Ahora bien si el costo total del proyecto es de $773,139.25 MN. , la
distribución de ésta inversión que busca el pronto beneficio de la zona
centro de esta comunidad, se puede considerar de la siguiente manera:
Contribuyente Colonia Importe
Comisión Nacional de
Agua
Comunidad de San
Felipe C.
$ 400,000.00
Municipio de Chapa de
Mota
Zona centro (barrio
primero)
$ 375,000.00
TOTAL: $ 775,000.00
Es por eso que, para ahorrar la solicitud de contribuciones a autoridades
y poder pagar el “Sistema de Bombeo”, se hablará de que existe un
programa de nominado “PRODDER” (Programa de Devolución de
Derechos), este coordinado por la CNA y a la cual la SAPASAC, está
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 89
afiliada. El programa consiste en la devolución de un pago de los
derechos que el órgano operador de agua potable de la comunidad
sostiene con la Comisión Nacional del Agua. Los requisitos para poder
inscribirse a este programa son los siguientes:
No presentar adeudos por concepto de pago de derechos (título de
propiedad de pozos y extracción de agua) en el ejercicio fiscal
correspondiente.
Solicitar por escrito a la CNA, la asignación de los recursos hasta
por un monto equivalente a los derechos cubiertos durante el
presente ejercicio.
Suscribir el anexo de ejecución correspondiente y entregar el
programa de acciones, dictaminado por la CNA a nivel estatal o
regional, en la gerencia de la CNA de su entidad.
Las empresas públicas o privadas prestadoras de los servicios
deberían aportar recursos por un total, al menos igual a la parte
federal comprometida.
Podemos decir si el órgano prestador de los servicios se mantiene al corriente
en el pago de derechos, esa cantidad es devuelta por la CNA, bajo la consigna
que esa cantidad devuelta sea intervenida en obras publicas del sector agua.
Con estas condiciones que se plantea el PRODDER, nuestro Sistema de
Bombeo puede ser incluido y costeado por la CNA y por SAPASAC, bajo el
siguiente concepto Infraestructura de Agua Potable, el cual cubre obras de
captación, líneas de conducción, cloradores, tanques de regularización y
almacenamiento, así como redes de distribución.
Para esta alternativa de costear el proyecto, la recuperación total de la
inversión, basándonos en la distribución de contribuciones de los elementos
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 90
involucrados y beneficiados mencionados con anterioridad, tendríamos
aproximadamente 5 años, lo que representara 1/3 parte del tiempo de vida útil
de nuestro proyecto. Si nos ponemos analizarlo des de el punto de visto de os
impuestos, el municipio quedara satisfecho y los beneficiarios, pues contaremos
con más tiempo del servicio de agua potable.
4.1.2 Pago del Mantenimiento del Sistema de Bombeo.
Para el sistema de bombeo las acciones de mantenimiento, se pueden manejar
en forma de un programa, el cual incluye acciones preventivas, correctivas y
predictivas, las cuales se deben aplicar periódicamente en tuberías, equipo de
bombeo, pozo, etc. Aunque sea un sistema de abastecimiento pequeño, el
programa de mantenimiento es necesario para
La conservación de la eficiencia del sistema de bombeo.
Evitar al máximo las fallas en las instalaciones.
Determinar los tipos, cantidad de material y piezas de repuesto que se
deban almacenar para hacer las reparaciones.
Analizar el funcionamiento de las diferentes partes del sistema de
distribución para que sirva de guía a futuras instalaciones.
Tener una reducción en los costos de mantenimiento.
Para q se facilite el pago de cambio o reposición de los componentes del Sistema
de Bombeo que hayan cumplido con su objetivo, el programa de mantenimiento
que se formule para corregir los problemas que se vayan presentando durante
el periodo de diseño del proyecto, puede incluirse en el programa anual de de
obras publicas presentado ante la CNA, bajo las disposiciones del PRODDER y
obtener el apoyo económico.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 91
4.2.3 Pago del agua.
En este aspecto es también importante, debido a que hay que definir por una
parte hay que cubrir el costo del proyecto, pero considerando que la cuestión del
pago del agua es totalmente diferente. Si bien cada, habitante paga los
derechos del agua ante el órgano operador correspondiente y que a su vez, este
lo hace con el órgano estatal, hasta llegar a un nivel federal. En relación a
nuestro proyecto y considerando este mismo orden, es que el agua suministrada
a la zona involucrada en el proyecto, se haga de la misma forma, teniendo en
cuenta que se puede incrementar un poco el costo de la misma, pero eso si
exigiremos a las autoridades correspondientes a que lo manejen proporcional a
las posibilidades del consumidor en función a la zona o barrio en cuestión.
Considerando que si por algún motivo o circunstancia el “sistema de Bombeo”
no se pueda incluir en el plan de obras públicas que establece el “PRODDER”,
se podría incluir el pago del proyecto, como medida de amortización. Esto por si
la gente como es lógico no pudiese o bien no quisiera contribuir con el mismo.
Por ello es importante, crear y promover un programa que haga ver a la zona
centro y todos sus habitantes involucrados, el beneficio que traería consigo la
aplicación de este proyecto, y más aun la disminución de todas esas
dificultades que se tenían antes y darles a saber todo los oportunidades de
crecimiento no solo para la zona centro de la comunidad, sino para esta en
particular.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 92
CONCLUSIONES
Con la elaboración del presente trabajo se encontraron un sinfín de detalles y
pequeños obstáculos que se fueron concluyendo con el paso de la elaboración del
mismo.
Podemos decir que el proponer soluciones es sencillo, pero el encontrara alguna
que resuelva los problemas referentes al abastecimiento del agua potable, casi
nunca es así, en este caso pueden influir mas allá que aspectos económicos,
también políticos, depende muchas de las ocasiones de los frentes políticos en el
municipio, o estado. O bien la situación puede ser otra, pero cualquiera que se
la diferencia, entre políticos, los gobernantes deben ver más allá y atender, las
necesidades prioritarias de la comunidad en particular la mencionada en este
trabajo.
Para este proyecto, el principal órgano operador de las aguas nacionales, la
Comisión Nacional del Agua, debe considerar que ya no hay que tener
preferencias y por si fuera poco que cada día el escasez de agua en nuestro país
está siendo uno de los riegos más fuertes, es de suma importancia atender y
estudiar las propuestas, tomar medidas y sobre todo apoyar a los proyectos
para todos los estados, municipios y comunidades para que estas cuenten con el
abastecimiento de agua potable y todo esto no solo para cubrir las actividades
diarias, si no sobre todo para que el ser humana cubra las necesidades
primordiales.
A pesar que el proyecto requiere la descripción de la obra eléctrica, respecto a
este punto, cabe resaltar que el proyecto solo menciona la selección de un motor
para el equipo de bombeo. Pero también se debe calcular, seleccionar y cotizar
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 93
el transformador, subestación eléctrica, arrancadores, protecciones, etc. Para
pozo y estación de bombeo.
En el desarrollo del presente trabajo pueden verse que la propuesta, la
memoria de cálculo, el proceso de construcción y el análisis económico son lo
mas claros posibles para estudiar y aplicarse. Es importante señalar que a se
busca es la aplicación de esta alternativa, ya que como se menciono en los
objetivos, lo que se busca es demostrarle la órgano operador de agua del
municipio de Chapa de Mota, que existen una manera sencilla y económica de
resolver el problema de falta de agua en la comunidad de San Felipe
Coamango.
La finalidad de este proyecto es tratar de hacer una reflexión sobre los costos y
que nos traería tener una red u nueva de abastecimiento de agua potable para
la comunidad, así mismo también poner a las autoridades correspondientes
sobre los beneficios que se tendrá con la visión y aplicación de nuestro proyecto.
Todo esto considerando las ventajas y desventajas que se analizan en este
proyecto.
Con lo anterior y basándonos en la experiencia obtenida en la realización de
este proyecto , se puede mencionar que un ingeniero tiene que conocer y
aprender a valerse de diversas herramientas administrativas para poder tener
un mejor beneficio de los conocimientos técnicos adquiridos durante su
formación y así poder ser un profesionista más completo, con la proyección
académica y laboral abierta a posibilidades y conocimientos de diversas áreas
en relación con la ingeniería, logrando tener las bases adecuadas para poder
enfrentar y solucionar los problemas que se le presenten en su futuro
profesional viendo todas las perspectivas del mismo y no enfocándose en lo
técnico solamente.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 94
“Para ser exitoso en esta profesión hay que ver los problemas desde todas las perspectivas posibles y no de forma particular, para así obtener la mejor solución”
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 95
Glosario
Agua.- Liquido incoloro, inodoro e insípido compuesto por hidrogeno y oxigeno.
Elemental para las necesidades básicas y actividades importantes del ser
humano.
Acuífero. Formación geológica por la que circulan o se almacenan aguas
subterráneas que puedan ser extraídas para su explotación.
Agua para uso y consumo humano.- agua que no contiene contaminantes
objetables, ya sea químicos o agentes infecciosos y que no causa efectos nocivos
para la salud. También denominada como agua potable.
CAEM.- Comisión de agua del Estado de México.
CNA.- Comisión Nacional del Agua.
Caudal.- Es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a través de
una sección transversal a la corriente.
Carga.- La presión que ejerce una columna vertical de un liquido en cualquier
punto, debido a su peso.
Cavitación.- Fenómeno físico que se presenta en los fluidos, cuando estos
alcanzan la presión de vapor en algún punto del elemento que conduzca dicho
fluido. Cuando un fluido alcanza una presión inferior a la presión de saturación
de vapor, este se evapora y se origina “cavidades” de vapor. Estas cavidades o
burbujas arrastradas por la corriente llegan a la zona de presión muy elevada y
allí se produce una condensación violenta del vapor, provocando que haya un
impacto en el contorno interno del conducto.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 96
Coeficiente de Fricción.- Parámetro de diseño hidráulico que permite
determinar las pérdidas de energía en un acueducto.
Consumo de agua.- Volumen de agua utilizado para cubrir las necesidades de
los usuarios, habiendo diferentes consumos; domésticos, no domésticos
(comercial e industrial) y publico.
Demanda.- Volumen total de Agua requerido por una población para satisfacer
todos los tipos de consumo, incluyendo las pérdidas en el sistema.
Densidad de un Fluido (ρ).- Se define como su masa por unidad de volumen.
Densidad Relativa.- Es la comparación de la densidad de cualquier sustancia
contra la
Densidad de otra que sirve como referencia, ambas con determinadas
características.
Descarga.- La acción de verter, infiltrar, depositar o inyectar aguas residuales
a un
cuerpo receptor.
Desinfección.- Destrucción de organismos patógenos por medio de la aplicación
de
productos químicos o procesos físicos.
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Dotación.- Cantidad de Agua asignada a cada habitante para satisfacer sus
necesidades personales en un día media anual. Es el cociente de la demanda
entre la población de proyecto). Consumo diario promedio per cápita.
Elemento.- Cualquier componente de la red que debe satisfacer los
requerimientos de la NOM-013-CNA-2000. Generalmente son tubos, piezas
especiales y válvulas.
Equipo de Bombeo.- Consiste en dos elementos: una bomba y su accionador el
cual
puede ser un motor eléctrico, un motor de combustión interna, etc. El
accionador
entrega energía mecánica y la bomba convierte la energía cinética que un fluido
adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad.
Estación de Bombeo.- Sitios en donde se instalan equipos mecánicos para
elevar el agua de un lugar bajo a otro elevado.
Estanquidad.- Característica de una red de distribución de no permitir el paso
del agua a través de las paredes de los tubos, piezas especiales y válvulas.
Evaporación.- Separación del agua de los sólidos disueltos, utilizando calor
como agente de separación, condensando finalmente el agua para su
aprovechamiento.
Filtración.- Remoción de partículas suspendidas en el agua, haciéndola fluir a
través de un medio filtrante de porosidad adecuada.
Fluido.- Es una sustancia que se deforma continuamente cuando se somete a
un esfuerzo cortante, sin importar cuan pequeño sea este esfuerzo.
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Fo.Fo.- Abreviación en ingles de fierro fundido.
Fuente de Abastecimiento.- Sitio del cual se toma el agua para suministro al
sistema de Distribución.
Fuga.- Escape del agua por la pared de la tubería, sus dispositivos de unión y
accesorios. Se considera fuga a partir de un escurrimiento (las zonas húmedas de la
pared no se consideran fugas.
Gasto.- Volumen de agua medido en una unidad de tiempo, generalmente se expresa
en litros por segundo.
Golpe de Ariete.- Es un fenómeno de sobre presión que se produce en los conductos al
cerrar o abrir una válvula y al poner en marcha o parar una máquina hidráulica, o
también al disminuir bruscamente el caudal.
Hermeticidad.- Característica de una red de distribución de no permitir el paso del
agua al exterior a través de las uniones de sus elementos.
Hidráulica.- Rama de la física que trata lo relacionado a los fluidos y sus movimientos.
Línea de Conducción.- Elemento que sirve para transportar el agua desde la fuente de
captación hasta el tanque regulador, de manera continúa (generalmente tubos) y que
puede trabajar a presión en el caso de tuberías o a superficie libre, en caso de canales y
tuberías.
Organismo operador.- Entidad encargada y responsable del suministro de agua
potable en cantidad y calidad adecuada.
Nivel Dinámico.- Nivel del agua cuando se está bombeando.
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Nivel Estático.- Nivel del agua antes de iniciar el bombeo.
Pérdida Física.- Volumen de agua que entra al sistema de distribución de Agua, que no
es consumido.
Peso Específico (γ).- Es su peso por unidad de volumen (γ= ρ/g).
Período de Diseño.- Lapso para el cual se diseña el sistema. Es el período en que se
estima que la obra o elemento del proyecto alcanza su máxima eficiencia.
Piezas especiales.- son todos aquellos accesorios que se emplean para llevar a cabo
ramificaciones intersecciones, cambios de dirección, modificaciones de diámetro, unión
de tuberías de diferente material o diámetro, entre otros.
Planta de Potabilización.- Sitio en el cual se eliminan del agua los elementos nocivos
para la salud humana.
Población de Proyecto.- Número de habitantes de una, localidad al final del período de
diseño.
Pozo.- Obra de ingeniería, en la que se utilizan maquinarias y herramientas mecánicas
para su construcción, para permitir extraer agua del subsuelo.
Red de distribución de agua potable (Red).- Conjunto de tuberías, piezas especiales y
válvulas que distribuyen el agua generalmente desde el tanque de regulación hasta la
toma domiciliaria.
Sistema de Bombeo.- Acción o serie de acciones que nos permita conducir un fluido de
un nivel inferior a uno superior.
Topografía.- Disposición, relieve de un terreno.
Tubería.- Conjunto formado por los tubos y su sistema de unión o ensamble.
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Válvulas.- Accesorios que se utilizan en las redes de distribución para controlar el
flujo.
Vida Útil.- Es el lapso en el cual se estima que la obra o elemento del proyecto
funciona adecuadamente.
Viscosidad (μ).- Es aquella propiedad de un fluido en virtud de la cual ofrece
resistencia al corte.
Viscosidad Cinemática (υ).- La razón de la viscosidad a densidad de masa; (υ=μ /ρ).
Volumen Específico (v).- Es el recíproco de la densidad; (1/ρ).
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ANEXOS
1. Nomograma.- Velocidad de Líquido en tuberías.
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2. Diagrama.- Diagrama de Moody.
Tomada de la bibliografía 5.
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3. Gráfica.- Curva de comportamiento de la bomba
Tomada de la bibliografía 9.
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4. Tabla. Coeficientes de Resistencia k.
Tomada de la bibliografía 5.
5. Tabla. Coeficiente de Rugosidad Absoluta (є) para tuberías comerciales. Tomada de la bibliografía 3.
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6. Tabla. Propiedades del Agua.
Tomada de la bibliografía 3.
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Bibliografía
1. DATOS BASICOS. Libro IV versión 4.0. Gerencia de Ingeniería Básica
y Normas Técnicas. Comisión Nacional del Agua, México D.F., Julio
2003
2. VIEJO Z. M. Bombas, Teoría, Diseño y Aplicación. Limusa, México,
1997.
3. MATAIX C. Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas. Haarper y
Row Publishes Inc; USA, 1982.
4. HYDRULIC INSTITUTE. Hydraulic Institute Standards For Centrifugal. Rotary y Receprocating Pumps. 13 ra. Edición: USA. 1975
5. CRANE, División de Ingeniería. Flujo de fluidos en válvulas, accesorios
y tuberías. Mc Graw Hill. México, agosto 1988.
6. Página de internet del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e
Informática. www.inegi.gob.mx.
7. Página de internet de la Comisión Nacional del Agua. www.cna.gob.mx.
8. Página de internet del Gobierno del Estado de México.
www.edomex.gob.mx.
9. GM, Grupo Industrial. Instructivo para operación, instalación y
mantenimiento de bombas. Segunda edición, México, 2004. Carr. Lago
de Guadalupe No. 95, Sn. Mateo Tecoloapan, Atizapan de Zaragoza,
Estado de México.
ESIME, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. 107
10. COMISION NACIONAL DEL AGUA. Redes de distribución de agua potable. Especificaciones de hermeticidad y métodos de prueba. NOM-
013-CNA-2000. Enero 2002, México, D.F.
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