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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍACIVIL
TRABAJO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO YSANEAMIENTO DE AGUAS
ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUA POTABLE
Autores: Diogo Barreto Rocha, Marcel Grandino Rodrigues, Ronal JuarezContreras y Mauricio Severo
Tutor: Fernando Herrero
Noviembre, 2014
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Sumário
1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 3
2 DESARROLLO .............................................................................................................................. 5
2.1 DEFINICIÓN .......................................................................................................................... 5
2.2 NECESIDAD DE UMA ESTACIÓN DE BOMBEO ..................................................................... 5
2.3 DIFERENTES TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO ............................................................... 7
2.4 CRITÉRIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS EB ................................................................. 14
2.4.1 CONFIABILIDAD DE SERVICIO ..................................................................................... 15
2.4.2 PLANTEO DE ALTERNATIVAS Y AVALUACIÓN ECONÓMICA. ...................................... 16
2.4.3 ADAPTABILIDAD ......................................................................................................... 18
2.4.4 VERSATILIDAD ............................................................................................................ 182.4.5 SEGURIDAD................................................................................................................. 20
2.5 UBICACIÓN ........................................................................................................................ 21
2.6 SUBSUELO.......................................................................................................................... 21
2.8 REQUERIMIENTOS AMBIENTALES ..................................................................................... 23
2.8.1 IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................................ 23
2.8.2 OBJETIVOS MEDIOAMBIENTALES ............................................................................... 24
2.9 DETERMINACIÓN DE LOS LUGARES DE BOMBEO ............................................................. 25
2.10 COMPONENTES DE UNA ESTACION DE BOMBEO ........................................................... 25
2.10.1 – COMPONENTES DE OBRAS CIVILES ....................................................................... 26
2.10.2 COMPONENTES ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS ............................................................ 30
2.10.2.1 Compuertas ........................................................................................................... 30
2.10.2.2 Bombas .................................................................................................................. 32
2.10.2.3 Válvulas ................................................................................................................. 32
2.10.2.4 Motores ................................................................................................................. 36
2.10.2.4.1 Clasificación de los motores ............................................................................... 38
2.10.2.4.2 Funcionamiento de Motores Asincrónicos ........................................................ 42
2.10.2.5 Tuberías ................................................................................................................. 43
2.11 BOMBAS E INSTALACIONES DE BOMBEO........................................................................ 47
3 CONCLUSIÕN ............................................................................................................................ 71
4 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 72
.
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1 INTRODUCCIÓN
En este trabajo hablaremos sobre estaciones de bombeo de agua potable,
que son obras públicas civiles relacionadas a distribución y abastecimiento delagua para la población. Tenemos aquí por objetivo presentar o que es, el
funcionamiento y las partes de dicha estación.
Las Estaciones de Bombeo son responsables por el bombeo del agua son
estructuras necesarias cuando no es posible el abastecimiento por gravedad.
Por eso, dispone de equipamientos hidráulicos y eléctricos que pueden hacer
con que este líquido llegue a las zonas ubicadas en diferentes altitudes.
Las estaciones de bombeo requeridas para cumplir con el manejo del
fluido deben disponer de la capacidad, seguridad y confiabilidad requeridas por
el servicio. En tal sentido, deben asegurar la transferencia del fluido, teniéndose
presente que en la mayoría de los casos la eficiencia de un proyecto depende
primordialmente del servicio de bombeo.
Las estaciones utilizan medios mecánicos y eléctricos, como motores y
bombas, que generan la energía necesaria para forzar el escurrimiento del agua
por una tubería, que conduce al consumidor final. Mediante los equipamientos
como, motores, bombas, tuberías, válvulas, piezas especiales y todo el espacio
construido, todas esas actividades son posibles. Con estés materiales
disponibles y los conocimientos correctos, en diversos ramos de ingeniería civil,
mecánica, eléctrica e hidráulica, el buen funcionamiento de la estación es
garantizado.
Presentamos en las características los conceptos básicos do que es unaestación de bombeo e hidrología aplicable a los fenómenos de distribución.
Además, es imprescindible hablar de la necesidad de una estación de bombeo,
los diferentes tipos de succión, diferentes tipos de cámaras, criterios de diseño,
confiabilidad y evaluación económica.
Las partes correspondientes a obra civiles, como canales de entrada,
pozo de bombeo y casa de bombas. Además los componentes mecánicos y
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eléctricos que son las compuertas, válvulas, piezas, dispositivos, motores, y el
principal, las bombas.
Es importante también hablar de las instalaciones de bombeo y algunos
de los conceptos aplicables para el dimensionamiento de las bombas.Deacuerdo con lo expuesto, se pretende desarrollar el tema en su conjunto, desde
la captación del agua hacia su salida de la estación.
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2 DESARROLLO
2.1 DEFINICIÓN
Una Estación de Bombeo (EB), por definición también llamada deEstación Elevadora (EE), es una instalación hidroelectromecánica utilizada para
forzar el escurrimiento de un líquido, por una tubería, para que éste llegue al
destino en las condiciones previstas en su diseño. Una instalación
hidroelectromecánica es entendida como aquella donde se conjugan los
componentes y estructura en primer lugar hidráulicas, mecánicas, eléctricas y
por ultimo las electrónicas. En general estas instalaciones están contenidas en
una obra civil y, por éste motivo, una Estación de Bombeo contiene losconocimientos de casi todas las ramas de la ingeniería.
En rigor, cuando se dice forzar el escurrimiento es decir que el líquido
recibe una determinada cantidad de energía fornecida por una bomba. A su vez,
esta bomba recibe la energía en su forma mecánica por el giro de su eje que se
alimenta desde un motor. Así, según esta energía acumulada, es posible elevar
un fluido desde un nivel energético inicial a un nivel energético mayor.
En resumen, la función de las Estaciones de Bombeo es impulsar el agua
hacia los sectores que normalmente por la línea de impulsión no les llega por
gravedad. Según la Norma Técnica de Diseño Estaciones de Bombeo de AAPP
(NTD-IA-002; V-003) las estaciones de bombeo son un conjunto de estructuras
civiles, equipos, tuberías, y accesorios, que toman el agua directa o
indirectamente de la fuente de abastecimiento y la impulsan a un reservorio de
almacenamiento. Esta norma determina que el sistema deberá contar con
dispositivos de control de paro y arranque de los equipos de bombeo, además
de válvulas aliviadoras de presión o anticipadoras de golpe de ariete para
protección de la tubería de conducción contra la sobrepresión.
2.2 NECESIDAD DE UMA ESTACIÓN DE BOMBEO
La colocación de una Estación de Bombeo en una instalación hidráulicapor su diseñador ocurre por las más variadas necesidades. Generalmente,
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podemos afirmar que casi todas las instalaciones hidráulicas, a excepción de
alguna que se alimente con agua que proviene de un rio de montaña o de la
lluvia, requieren una bomba para impulsionar el líquido con, la presión, el caudal
y velocidad deseada en proyecto. En las redes de abastecimiento de agua
potable el uso de una EB es casi obligatorio, salvo en situaciones de centros
poblados cerca de cadenas montañosas, donde los manantiales están situados
en cotas mayores.
Desde el punto de vista de la Ecuación General de Conservación de la
Energía, también conocida como Ecuación de Bernoulli, siempre que el primer
miembro de la ecuación sea menor que el segundo, será necesario el aporte
externo de energía hidráulica. Éste aporte es materializado por la instalación deuna o varias bombas e la ecuación sería:
+ +
< + +
+ ∆ [m]
Esta inecuación, es decir, esta desigualdad, con el adicional de la energía (Hb)
aportada por la bomba, se transforma en:
+ +
+ = + +
+ ∆ [m]
Entonces, partiendo de la definición anterior, es posible afirmar que en el
sitio donde se colocó la bomba, se ha insertado también una Estación de
Bombeo. Así, en este sentido, una perforación de agua también sería una EB,
visto que su función es forzar el agua de la napa a salir hacia la superficie, lo que
no sería posible por sus propios medios. Sin embargo, vamos a nos referir en
este trabajo a las instalaciones hidroelectromecánicas que están inseridas dentro
de una obra civil.
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2.3 DIFERENTES TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO
Según fuera mencionado anteriormente, casi todas las instalaciones
hidráulicas requieren una Estación de Bombeo. Aunque todos los líquidos son
posibles de bombearse, en este trabajo nos referiremos en adelante a las
instalaciones para el bombeo de agua. Especialmente, en la Ingeniería
Hidráulica y Sanitaria tenemos, según el tipo de agua a bombear, tres tipos de
Estaciones de Bombeo:
Las Estaciones de Bombeo para agua potable;
Las Estaciones de Bombeo cloacales; Las Estaciones de Bombeo pluviales;
Estas Estaciones de Bombeo tienen una característica distintiva que es la
que todas ellas presentan un recinto llamado pozo de bombeo. Es en este recinto
donde llega el agua y desde donde las bombas se alimentan para impulsarla
fuera de la instalación. Vale decir que el caudal de la/s bomba/s puede o no ser
igual al caudal afluente al pozo, en cuyo caso éste actúa como el que se llama
de recinto pulmón.
En general, se acostumbra clasificar las EB para agua potable (Ilustración 1 )
en primarias y secundarias. Las estaciones primarias son aquella que toman el
agua de alguna fuente de abastecimiento y la elevan a otro almacenamiento, a
la red directamente, al tratamiento o a una combinación de ellas. Por su vez, las
estaciones secundarias, cualifican las condiciones de una primaria
incrementando presión o gasto, pero con la alimentación de una estación
primaria.
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Ilustración 1 - Estación de bombeo para agua potable.
Las estaciones primarias pueden ser de dos tipos: estaciones de dos
cámaras y estaciones de una cámara. En las primeras, como ya dile su nombre,
se consideran dos cámaras o cárcamos, donde en uno se tendrá la entrada del
agua y un depósito que conecta la succión, y en el otro, llamado cámara seca,
se colocan los equipos de bombeo. Las estaciones de una cámara, en general,
se usan para bombas de eje vertical o sumergible y consisten de una solo
cámara donde se tiene la entrada del agua, el almacenamiento necesario y los
equipos de bombeo.
Dentro de los sistemas de bombeo de cualquiera tipología de Estación de
Bombeo se encuentran dos tipos de succión: SUCCIÓN POSITIVA y SUCCIÓN
NEGATIVA. En la succión positiva, el nivel del líquido en el depósito que se va a
bombear está por arriba de la línea de centro de la succión de la bomba. Por lo
tanto, la cabeza estática de succión deberá de tener un valor positivo así como
se puede mirar en la Ilustración 2 .
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Ilustración 2 - Sistema de bombeo de SUCCIÓN POSITIVA.
En la SUCCIÓN NEGATIVA, el nivel del líquido en el depósito que se va a
bombear está por debajo de la línea de centro de la succión de la bomba. Así, la
cabeza estática de succión deberá de tener un valor negativo, como se puede
ver en la Ilustración 3 .
Ilustración 3 - Sistema de bombeo de SUCCIÓN NEGATIVA.
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Las estaciones de bombeo cloacales se instalan en los puntos colectores
de menor cota geodésica, teniendo el objetivo de elevar el efluente cloacal hacia
la altura donde es posible efectuar su tratamiento e después descartar el fluido
hacia el cuenco o curso de agua receptor. En general estas estaciones son de
cámara húmeda, con bomba sumergida e motor acoplado directamente con eje
extendido y motor externo. En la Ilus tración 4 es posible verificar una EB para
líquidos cloacales (para aguas servidas), donde la disposición de sus elementos
es dependiente de la envergadura de la instalación, del espacio disponible e de
los requerimientos de la impulsión.
Ilustración 4 - Estación de bobeo para líquidos cloacales.
Las Estaciones de Bombeo Pluviales son aquella con la misión de efectuar
el drenaje superficial de caudales oriundos de lluvias transfiriéndolos a zonas de
mayor cota geodésica. A su vez, esta situación responde a drenaje de zonas
inundables protegidas por defensas. En general, disponen de elevados caudales
instalados y baja impulsión, donde por eso son indicados grupos de gran porte,
como mostrado en la Ilustración 5 , con potencias de accionamiento
proporcionalmente baja.
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Ilustración 5 - Estación de Bombeo para drenajes pluviales.
Además, es posible hacer una clasificación de las EB por la forma que la
bomba está dispuesta en el pozo de bombeo. En este sentido, las Estaciones de
Bombeo se clasifican en Inundadas o de Cámara Seca. Cuando las bombas
están sumergidas en el líquido a bombear son definidas las EB Inundadas, como
es posible mirar en la I lustrac ión 6 . Ya cuando las bombas están ubicadas en
una sala contigua al pozo de bombeo, la EB es dicha como de Cámara Seca.
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Ilustración 6 - Estación de Bombeo Cloacal tipo inundada.
El ambiente contiguo de una Estación de Bombeo de Cámara Seca puede
esta acostado del pozo de bombeo, o arriba de él. En el primero caso, mostrado
en la I lustración 7 , la sala de bombas debe estas aislada del pozo de bombeo
por un muro divisorio y por válvulas en la cañería de aspiración de las bombas,evitando que ante un desarme de los equipos el líquido entre en el ambiente
contiguo. En el segundo caso, los equipos necesitan de un dispositivo especial
para el cebado de las bombas, previo a su puesta en marcha.
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Ilustración 7 - Estación de Bombeo de Cámara Seca.
El comportamiento hidráulico de las ED Inundada e de Cámara Seca es
semejante. Lo que cambia entre una y otra es su costo de construcción y de
mantenimiento siendo posible establecer algunas diferencias entre ellas. La EB
Inundada requiere menos espacio en planta y menor impacto visual cuando las
electrobombas son sumergibles, pues pueden quedar por debajo del nivel de
calzada o acera. Sin embargo, la EB Inundada tiene equipos e mantenimiento
de los dichos más costosos, sean bombas verticales del tipo turbina con motor
arriba o las electrobombas sumergibles, en cuanto las EB de Cámaras Secas en
general requieren personal de menos especializado.
Aún existe una última categoría de Estación de Bombeo llamada de
Estación de Rebombeo. Esta es utilizada cuando en una línea se necesita
incremental la presión de toda el agua que llega, sin acumularla o cederla, se
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diferenciando de las demás tipologías por carecer de pozo de bombeo. Así, el
caudal impelente de las bombas debe ser igual al caudal entrante.
2.4 CRITÉRIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS EB
Un aspecto que es necesario tener en cuenta en el diseño de una EB es
considerar la facilidad en la operación de sus elementos, así como la sencillez
en las tareas de mantenimiento. Sin embargo, es muy importante destacar
algunos aspectos del entorno donde va a estar operando la EB, que pueden
modificar los criterios técnicos con que el proyectista diseñe la instalación. Por
ejemplo:
Disponibilidad de mano de obra calificada;
Disponibilidad o accesibilidad de repuestos;
Sencillez tecnológica de los componentes;
Vigilancia continua o esporádica de la EB;
Apoyatura logística para el mantenimiento.
Otro aspecto muchas veces olvidado en los proyectos es la
intercambiabilidad de partes. Esto presupone no sólo la instalación de equipos
de bombeo iguales (con sus elementos de maniobra y control), sino la posibilidad
de intercambiarse con equipos de otras EB, diseñadas obviamente para
condiciones semejantes
Las Estaciones de Bombeo requeridas por los sistemas hidráulicos para
cumplir con el manejo del fluido deben disponer la capacidad e seguridad de
servicio compatibles con los objetivos del proyecto. En este sentido, debe ser
garantida la transferencia del fluido en el momento que es requerida, teniéndose
en cuenta que la eficiencia del proyecto es dependiente del servicio de bombeo.
Por líneas generales, existen una serie de criterios a ser aplicados en el diseño
de una EB, siendo posible establecer algunas pautas tales como confiabilidad,
economía, adaptabilidad, versatilidad e seguridad.
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2.4.1 CONFIABILIDAD DE SERVICIO
Los servicios que deben cumplir las instalaciones hidráulicas están
destinados a amplios sectores de la sociedad, por ello so aporte debe sereficiente en calidad y oportuno en el momento de ser demandado. Siendo Las
EB uno de los puntos más vulnerables de la instalación hidráulica, su falla
manifestada como salida de servicio puede causar un daño muy grande no solo
a la instalación en sí misma, sino a los propios usuarios. Las inversiones puestas
en juego son de valores muy importantes, luego es necesario percibir sus
beneficios al momento que es requerido los servicios de un EB.
La confiabilidad de servicio debe ser elevada. Cada unidad de tiempo en
que la instalación no cumpla con su cometido representa una pérdida en
términos económicos que la sociedad deja de percibir. Estos conceptos deben
prevalecer en el diseño, operación y mantenimiento de estas instalaciones,
donde el suministro de agua potable, la colección de residuos cloacales y el
control de las inundaciones deben cumplir con su cometido en forma eficiente al
momento de ser requerido.
La salida de servicio de una EB de drenajes pluviales en el momento de
la máxima tormenta podría causar un daño por inundación a las viviendas
cercanas de esa cuenca, además de interrupción de otros servicios públicos
esenciales (luz, gas, teléfono, agua, etc.) e incluso riesgo de accidentes fatales.
Similarmente, un EB cloacal que deja de funcionar por una falla puede anegar
con líquidos residuales toda un área cercana a la estación, con riesgo cierto de
contaminación. En resumen, la falta de confiabilidad en el funcionamiento de una
EB desbarata todos los beneficios que el proyecto de la instalación sanitaria o
hidráulica pretendía traer a esa población, por eso, la primera consideración a
tener en cuenta en el diseño de una EB es principalmente su confiabilidad de
funcionamiento, garantizada por lo uso de equipos seleccionados que deben ser
robustos y de construcción sencilla, ajustados a los requerimientos del servicio.
A modo de complemento debe en el diseño plantear la posibilidad de
disponer un grupo electrógeno local con capacidad para abastecer una parte de
las bombas (30% aprox.) para atender en un momento de emergencia hasta
tanto sea reparada el sistema de alimentación principal. Esta disponibilidaddepende del grado de premura que requiere el sistema. Por líneas generales,
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una instalación que disponga de una información primaria de un sistema de
alerta puede disponer los equipos con cierta anticipación.
2.4.2 PLANTEO DE ALTERNATIVAS Y AVALUACIÓN ECONÓMICA.
Definidas las características del proyecto, las alternativas a ser analizadas
deben cubrir la totalidad de los esquemas que a criterio del proyectista sean
aplicables. Se deben considerar los aspectos de orden civil y electromecánico
que sean aplicables al proyecto. Así para una instalación de bombeo de agua
potable se tomarán como base el lugar de origen y destino del fluido asociado a
la curva de demanda.
Definido el caudal instalado se preverán esquemas que combinen los
tipos de cámara más apropiados con equipos de bombeo afines al servicio. Por
ejemplo, un número mínimo de dos bombas con motor exterior o sumergido.
Para servicios cloacales, las estaciones de bombeo en los puntos de colección
disponen en general de espacio reducido, siendo necesario el análisis de
disposiciones compactas con restricciones para el cumplimiento de las
relaciones geométricas mínimas indicadas por las normas de proyecto.Las secciones en planta son del tipo cuadrado o rectangular, previéndose
igual que en otros casos, un número mínimo de dos grupos de igual módulo
como instalación básica. A los efectos de controlar los caudales mínimos
afluentes es necesario considerar un grupo de menor módulo cuyo valor de
caudal se encuentra fuera del rango de aplicación de los equipos principales.
Para instalaciones hidroeléctricas, las consideraciones del bombeo parten de las
características del sistema de generación de energía, mereciendo un análisisparticular fuera del alcance de este curso e abastecimiento y saneamiento.
Si bien por lo general el costo de una Estación de Bombeo es pequeño
comparado con el costo total de la instalación, ello no quiere significar que el
mismo no deba ser considerado en el momento del diseño. La evaluación
económica de un proyecto hidráulico equipado con estaciones de bombeo debe
relacionar los beneficios esperados por la puesta en servicio de la instalación y
los costos asociados para su construcción, operación y mantenimiento durante
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su vida útil. Ambos aspectos condicionan el diseño de las instalaciones,
abarcando el número y capacidad del sistema de bombeo.
Finalmente las características generales y de detalle de estos puntos de
control del sistema se encuentran íntimamente relacionadas con los factores
económicos que dieron lugar a su concepción. Para suministro de agua potable,
los beneficios son de orden social, evaluándose la mejora que produce en la
población abastecida la disponibilidad de agua de red en reemplazo de pozos de
bombeo individuales desde la napa subterránea. Similares consideraciones
caben para la evaluación del servicio cloacal, donde la evacuación del efluente
elimina las posibilidades de contaminación de la napa al reemplazar los pozos
negros o reduce los efectos provocados por el vuelco al sistema pluvial.
Respecto del control de inundaciones las consideraciones son más
amplias. El anegamiento de una zona urbana por efecto de lluvias intensas o por
incremento del nivel de un río (caso de poblaciones importantes a la vera de los
ríos), provocan el anegamiento de las propiedades, produciendo pérdidas
importantes que pueden evaluarse económicamente. Para ello se plantea el
criterio del “daño evitado”, o sea la evaluación del efecto de una inundación en
términos económicos en relación con la cota de inundación, donde cuanto mayor
sea la cota alcanzada por el agua, en caso de colapso o falla de los elementos
de protección, mayores serán las pérdidas económicas ocasionadas.
Es de gran importancia distinguir que servicio habrá de cumplir la Estación
de Bombeo. Se el servicio es continuo, como en el caso de EB cloacales o de
agua potable, prevalece el criterio del mejor rendimiento de os equipos de
bombeo. Pero, si se trata de una EB de aguas pluviales, donde la fluencia de su
funcionamiento es muy baja (funcionan solamente cuando llueve, el criterio del
máximo rendimiento no es un atributo superior a los demás.Los estudios económicos para determinar la mejor eficiencia de las
bombas y por tanto, el menor consumo de energía de la estación deben hacerse
teniendo en cuenta el tipo de servicio que habrá de prestarse. En estaciones de
agua potable es válido tomar para el cálculo de la energía consumida 24 horas
de funcionamiento diario, durante todos los días del año. En contrapartida, para
las EB cloacales la cantidad de horas anuales de trabajo de las bombas es muy
baja, a depender de la hidrología del sitio, perdiendo importancia el quesito deuna mejor eficiencia de los equipos de bombeo.
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2.4.3 ADAPTABILIDAD
Otro aspecto también importante en el diseño de una Estación de Bombeo
es la posibilidad de su adaptación a los cambios funcionales a lo largo del tiempo.
Ello impone la necesidad de conocer cuales habrán de ser las condiciones de
funcionamiento al final de la vida útil proyecto, principalmente el caudal.
Partiendo de ese dato, es posible dimensionar un sistema modular que vaya
incorporando unidades a medida que aumente la demanda.
En este sentido, lo más apropiado es dimensionar la obra civil para la
condición extrema de máxima capacidad y los equipamientos mecánicos en
función de las necesidades próximas. A respecto de los últimos se abren dos
posibilidades:
La casa de bombas se diseña para alojar seis equipos, por ejemplo, pero
sólo se instalan cuatro, dejando vacíos los espacios restantes. Al cabo de
cierto tiempo se coloca un quinto equipo igual a los primeros e más tarde
el sexto.
La casa de bombas se diseña para alojar cuatro equipos, por ejemplo, de
capacidad Q, pero al principio se instalan bombas de inferior caudal. Alcabo de cierto tiempo se reemplazan esos equipos por los originalmente
previstos.
Este criterio es empleado a menudo haciendo coincidir la fecha del aumento
de la demanda de la capacidad de la EB con el periodo de amortización de los
equipos. Debe tenerse en cuenta asimismo que el reemplazo de equipos de
bombeo conlleva también el reemplazo de elementos de maniobra y control,
tableros y transformadores.
2.4.4 VERSATILIDAD
Esta propiedad está relacionada a la anterior por cuanto se refiere a las
posibilidades de la Estación de Bobeo de adaptarse a las condiciones variables
de funcionamiento, conforme aumente o disminuía la demanda a lo largo del día,
la semana o el mes A diferencia del criterio anterior, el cual se referia a las
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posibilidades de la EB de ir incrementando su capacidad a medida que aumenta
la demanda, la versatilidad significa poder adaptarse a los cambios de la
capacidad de bombeo en más o menos tiempo. Por ejemplo:
El bombeo de líquidos cloacales durante el periodo nocturno, el cual sueleser muy inferior al bombeo de la hora de pico.
El bombeo de agua de lluvia en una precipitación moderada, el cual a
veces es una fracción muy pequeña del caudal para el que fui diseñada
la EB.
Es estos casos y tantos otros donde la capacidad de bombeo varía
sustancialmente, una de las formas más sencillas de operar las Estaciones de
Bombeo es instalando varias bombas iguales entre sí. Así, según sea la
demanda, se pondrán en marcha o pararán una o más unidades de bombeo.
Vale decir que los sistemas de bombas múltiples tienen una mayor versatilidad
comparados a los sistemas de pocas unidades, pues el arranque progresivo
permite un escalonamiento menos pronunciado.
Miramos un ejemplo:
Se debe diseñar una EB para una capacidad de bombeo de 1800m³/h. El proyectista puede adoptar como criterio de diseño, la instalación
de 2 equipos de 900m³/h, o bien 3 de 600 m³/h o tal vez 4 de 450 m³/h.
Los casos extremos serían: una sola bomba de 1800 m3/h y por el otro
lado muchas bombas de caudal muy pequeño.
Descartando estos extremos y sin perjuicio de considerar un
incremento de costos en la obra civil a medida que crece el número de
bombas a instalar, el análisis desde el punto de vista de la versatilidad de
la estación muestra que:
La salida de servicio de una bomba en el primer caso, reduce la
capacidad de bombeo en un 50%.
En el segundo caso la capacidad de bombeo se reduce en un 33%.
En el tercer caso la capacidad de bombeo se reduce en un 25%.
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Por supuesto que la evaluación de la mejor disposición no se agota
con este análisis, ya que deberían considerarse cuestiones como los
rendimientos de los equipos, confiabilidad y costos.
2.4.5 SEGURIDAD
Este es otro aspecto que se refiere a la seguridad de funcionamiento está
muy ligado a la confiabilidad señalada en principio. Un criterio de seguridad que
el proyectista debe adoptar es el referido a la “capacidad de reserva”, esto es, la
cantidad de equipos en reserva que la EB debe poseer, a fin de garantizar que
ante la salida intempestiva o programada de un equipo haya otro en condiciones
de poder sustituirlo. Esta cantidad de equipos de reserva está en función de la
cantidad de equipos operables definidos por el proyectista y puede ser obtenida
por la Tabla 1 , una forma de determinar el número Nr de equipos de reserva que
es utilizado en la industria que trabaja con máquinas de proceso.
Tabla 1 - Cantidad de equipos reserva en función de equipos operables.
N° de Máquinas Operables (n) N° de Equipos reserva (Nr)
1 a 5 16 a 12 2
12 a 25 3
Más de 25 Consultar Fabricante
Sin embargo, atento a que las EB rara vez se diseñan con más de cinco
bombas operando, la cantidad de bombas de reserva suele ser una. Conforme
a este criterio, ninguna EB por más pequeña que sea debería tener menos de
dos bombas en su interior. Asimismo, ligando el criterio de la seguridad con el
de la versatilidad, se puede observar otra característica ventajosa de tener varias
bombas en lugar de pocas o una sola. En efecto, si usamos el ejemplo del
aparatado anterior tendríamos que el costo de equipamiento electromecánico
por disponer de una bomba de reserva se incrementaría en:
Un 50% en el primer caso
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Un 33% en el segundo caso
Un 25% en el tercer caso.
El caso más desfavorable sería el de la EB con una sola unidad operable, por
cuanto la inversión en el equipamiento electromecánico se duplica.
2.5 UBICACIÓN
La ubicación de la estación de bombeo surge a través de la combinación
entre la topografía, el relieve y los requerimientos hidráulicos. En algunas zonas,
por ejemplo, la selección del sitio es muy importante debido al coste que puede
representar dentro del proyecto.
Pero la ubicación no solo está relacionada al coste, sino a la disponibilidad
y dimensión del terreno disponible, las cotas de llegada y de impulsión del fluido.
Los costos de los terrenos pueden condicionar la rentabilidad del proyecto. Por
ello la selección de los lugares de bombeo resulta de vital importancia para el
buen desarrollo económico.
2.6 SUBSUELO
Las características de los subsuelos (Tabla 2 ) son muy importantes en
las consideraciones del proyecto las más convenientes para cumplir con los
objetivos del proyecto estarán condicionadas a las soluciones técnicas a
adoptar en su desarrollo.
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Tabla 2- Características físicas y químicas del suelo
El perfil de la obra civil requiere que se sepan las características físicas,
químicas, biológicas y mineralógicas del suelo, que son las que determinan
como haremos toda la parte estructural. Por ello, en todos los casos deberá
disponerse de este dato al momento de comenzar el proyecto.
2.7 DISPOSICIÓN DE LOS COMPONENTES
La cantidad y características de los lugares de bombeo dependen de las
características del proyecto, muchas veces económicos. Pero estas definiciones
son las primeras a tener en cuenta. En general en las instalaciones de agua
potable, no se tienen muchas alternativas para la ubicación, pues se encuentran
condicionadas al espacio, terreno, caudal, calidad y confiabilidad del proyecto.
Podemos empezar cuando se fija la cantidad de puntos de bombeo, pues
será necesario optimizar su disposición y diseño mediante los datos básicos de
necesidad. Que son:
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Los trabajos topográficos y geotécnicos que permitan hacer los primeros
diseños.
Análisis de los diseños. Se la cantidad establecida y las imposiciones
técnicas fueran cumplidas
Evaluación económica.
Por ello garantizamos una buena disposición de los componentes dentro de
una estación.
2.8 REQUERIMIENTOS AMBIENTALES
La planificación, el diseño, la construcción y la operación y mantenimiento
de una EB deben estar acompañadas del cumplimiento de todos los
requerimientos ambientales. La mayoría de estos requerimientos son dictados
por la normativa ambiental local o provincial e incluso por el propio usuario, si
éste es una empresa que tiene sus propias normas ambientales. En cualquier
caso deben tenerse en cuenta todos los aspectos técnicos (estructurales,
arquitectónicos, de seguridad,) a fin de identificar los potenciales impactos
ambientales y definir las limitaciones al diseño.
2.8.1 IMPACTO AMBIENTAL
Las EB afectan de un modo u otro la hidrología y la calidad del agua del
cuerpo receptor. Los cambios hidrológicos a menudo cambian otros parámetros
ambientales. La siguiente es una lista de los efectos adversos que la instalaciónde una EB causa sobre el medio ambiente:
• Reducción del oxígeno disuelto
• Incremento de la temperatura
• Incremento de la turbiedad y los sólidos suspendidos.
• Daño a los peces
• Cambios en la hidrología y la hidráulica• Generación de ruidos y vibraciones
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• Impacto visual y estético
• Fuga de combustibles o lubricantes
• Acumulación de residuos en rejas y contenedores
• Olores
• Derrames
2.8.2 OBJETIVOS MEDIOAMBIENTALES
Las EB pueden y deben provocar un impacto ambiental adverso
prácticamente despreciable. La mayoría de estos impactos negativos pueden
evitarse o al menos minimizarse a través de una adecuada planificación, diseño,construcción y operación. Para los que no puedan evitarse, deberán tomarse las
medidas adecuadas de su mitigación. La siguiente sería una lista de los pasos a
seguir para una adecuada planificación:
• Identifique todos los objetivos y restricciones ambientales, incluyendo
todas las reglamentaciones aplicables, tanto estatales como del cliente.
• Identifique todos los impactos ambientales, tanto los negativos como los
positivos.
• Incorpore características en el diseño, la construcción y la operación que
puedan minimizar los impactos adversos.
• Cuantifique los impactos adversos inevitables, e incorpore detalles
constructivos que lo mitiguen apropiadamente.
• Incorpore las características de mejoramiento ambiental que satisfagan
los deseos de su comitente.
Esta lista sólo pretende ser enumerativa de todos los pasos a seguir, sin tener
en cuenta la ponderación que el proyectista haga de cada uno de los aspectos
mencionados. En efecto, dependiendo de las condiciones de contorno, la
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cuantificación de los impactos es una tarea muy subjetiva que depende entre
otras cosas del tamaño de la instalación, la cercanía a centros poblados, el
perjuicio que implica su no construcción, etc.
2.9 DETERMINACIÓN DE LOS LUGARES DE BOMBEO
Tal como se expresó, la configuración y características del proyecto están
en función de los parámetros económicos utilizados durante la evaluación. La
cantidad y características de los lugares de bombeo responden de dichos
parámetros, siendo el punto de partida para el proyecto detallado de las obras.
En instalaciones de saneamiento, agua potable o efluentes cloacales, los lugares
físicos tienen en general pocas alternativas, ya que se encuentran condicionados
por la trama urbana. Las ubicaciones pueden ser en zonas de veredas o centros
de calle, con instalaciones subterráneas.
En el control de inundaciones, el criterio básico es efectuar retenciones en
la zona alta de la cuenca de aporte, mediante la creación de embalses
permanentes (depósitos de gran volumen en centros de calles, túneles, plazas,
canchas de fútbol) o transitorios (lugares de recreación, parques, etc) que
efectúen una atenuación del pico del hidrograma de aporte. Luego de superado
el evento, la descarga puede ser por gravedad, controlada mediante una sección
de escurrimiento o por bombeo de baja capacidad durante un tiempo prolongado.
2.10 COMPONENTES DE UNA ESTACION DE BOMBEO
Como una estación de bombeo es una instalación hidráulica, eléctrica,
mecánica y además una obra de construcción civil, podemos dividir sus
componentes en distintas áreas. Que son: conocimientos relacionados a la
construcción civil, o sea, hidráulicos, estructurales, funcionales y estéticos, y
componentes mecánicos y eléctricos, relacionados a parte de electromecánica.
Esta última, corresponde a los equipamientos que permiten el funcionamiento de
la estación de bombeo.
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2.10.1 – COMPONENTES DE OBRAS CIVILES
En este estudio de los componentes tenderemos como base la Ilustración 8 :
Ilustración 8 - Estación de Bombeo Rio Hondo
Básicamente son los siguientes componentes:
2.10.1.1 Canal de entrada
Es una estructura hidráulica por donde llega el agua al pozo de bombeo,
sin que esta sufra movimientos turbulentos que pueden provocar a la aspiración
de las bombas. En las estaciones de bombeo para agua potable, deberá
procurarse que la dirección de llegada del líquido sea perpendicular a la línea de
ubicación de las bombas. Si no es posible esto, deberán contener pantallas
deflectoras que guíen el líquido hacia cada una de las tuberías de las bombas.
Los canales de entrada deberán poseer pendientes suaves (no superiores
a 10º) tanto en dirección vertical como horizontal. Como representación tenemos
en el número 1 de la Ilustración 8 .
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2.10.1.2 Pozo de Bombeo
En este sitio se recibe el líquido que habrá de bombearse. A través de la
diferencia de niveles del líquido, hace con que se determine el momento de
operación de las bombas y también el momento de su finalización. Eso ocurre,
por medio de sensores de nivel, que hacen con que se percibe la necesidad de
funcionamiento del equipamiento.
Para la estación de bombeo de cámara inundada el dimensionamiento del
pozo de bombeo debe respetar algunas distancias mínimas. Según el
INSTITUTO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL, el cono de succión de
la cañería o de la bomba y el fondo, las paredes del pozo y la superficie libre del
líquido, a fin de evitar la aparición de vórtices que pudieran provocar un daño a
los equipos o al menos, una disminución de su rendimiento. En la Ilustración 9 y
la Ilustración 10 son expuestos ejemplos de dimensiones de pozos de bombeo y
las diferencias de niveles de las bombas, respectivamente.
Ilustración 9 - Ejemplo de pozo de bombeo prefabricado del Grupo PID poliéster insular diseño S.L.
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Ilustración 10 - Diferencia de niveles que desencadenan las bombas
Una de las medidas más importantes es la distancia entre el cono de succión
y el nivel de la superficie del líquido, que se especifica el fabricante de la bomba
en utilización. Una vez que el correcto funcionamiento de la bomba, sin burbujas
de aire, está relacionado a dicha medida.
El pozo puede ser circular, cuadrado o rectangular a condición de diseño para
facilitar la colocación de las piezas evitando grande velocidades y agitaciones
además de permitir el acceso para su mantenimiento y limpieza. Abajo, algunas
recomendaciones del Guía para construcción de estaciones de bombeo de agua
potable (Organización Panamericana de la Salud):
Condiciones y dirección del flujo, son medidas aconsejables la
adopción de velocidades moderadas (inferiores a 0,9m/s).
Para evitar vórtices se debe tener una profundidad mínima y reducir la
velocidad de entrada en la boca de succión. Valores hasta 0,9m/s son
aceptables. Se recomienda también instalar una ampliación en formade campana.
Dimensiones de la cisterna, en el cálculo del volumen de las cámaras
de bombeo se presentan dos casos:
• Cisterna de bombeo con almacenamiento, que se debe emplear
cuando el rendimiento de la fuente no sea suficiente.
• Cisterna de bombeo sin almacenamiento, que se debe emplearcuando la fuente tiene una capacidad mayor que el caudal de bombeo.
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Preservación de la calidad del agua, deberán tomarse
precauciones especiales, en el bombeo de agua tratada, para
que no haya contaminación de la misma con la entrada de
líquidos extraños a la cisterna. Es necesario que el pozo sea
cubierto y que las aguas de escorrentía, de lavado pisos o de
la salpicadura de las bombas sean impedidas de entrar.
2.10.1.3 Casa de Bombas
En este sitio está todo el equipamiento que no tienen contacto con el
líquido, por ejemplo, las bombas horizontales, los cabezales de las bombas, los
órganos de control, motores y tableros como se ver en la Ilustración 11 .
Ilustración 11 - Casas de Bombeo.
El dimensionamiento de la casa de bombas depende del tipo de bomba que
se utilizará en la estación, pero se debe considerar:
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El espacio libre entre las bombas para circulación debe ser
preferentemente un valor igual o mayor que 1,50 metros. En algunos
casos especiales como o de las bombas de escurrimiento axial, la
distancia mínima es de tres veces el diámetro de la bomba.
Todos los accesos debe estar a una cota mínima de 1,00 metro más arriba
de la cota máxima del pozo de bombeo/succión. Caso no sea posible,
deberá contener bombas de drenaje, garantizando la seguridad en caso
de accidentes.
2.10.2 COMPONENTES ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS
En general, las estaciones de bombeo poseen los mismos componentes
aunque pueden cambiar de acuerdo con la función, el tamaño y el diseño de la
estación. Podemos encontrar los siguientes componentes:
Compuertas;
Bombas; Colectores de salida y válvulas;
Motores;
Amortiguadores de vibración;
Equipos de izaje y elementos de control;
2.10.2.1 Compuertas
Las compuertas son utilizadas para cerrar el paso del agua de los canales
de ingreso al pozo de bombeo y pueden ser identificadas en la Ilustración 12 .
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Ilustración 12 - Compuertas de una Estación de Bombeo.
Las compuertas pueden ser de placas en metal o madera, pero la última
tiene un tiempo de vida útil menor debido a la pierda de su estanqueidad. El
metal que constituye las placas suele ser de fundición de hierro o de acero
dependiendo de su tamaño. Algunas de ellas reciben un recubrimiento de
pinturas anticorrosivas como se puede mirar en la Ilustración 13 . Las compuertas
de acero inoxidable también son una opción de mucha calidad pero más caras.
Ilustración 13 - Compuertas con pinturas anticorrosiva.
La instalación de estés componentes requiere guías lateralesgeneralmente embutidas en los muros, ruedas que aseguren un buen
deslizamiento con mínima fricción contra la guía y además un mecanismo de
elevación y descenso eléctrico/ mecánico o solo mecánico. Debemos nos atentar
que las compuertas están sometidas a una carga hidráulica, que depende de la
altura del agua, en los casos de componentes muy grandes las fuerzas
resultantes sobre las guías también son grandes, por ende la fricción resulta
elevada, obligando en muchos casos a poner mecanismos reductores.
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2.10.2.2 Bombas
La bomba es el componente más importante de una instalación de
estaciones de bombeo, por su gran variedad y complexidad está siendo
abordada en otro tópico.
2.10.2.3 Válvulas
Las válvulas son componentes que sirven para regulación, cierre,
aspiración y control de todo el sistema, sus funciones son las siguientes:
Válvulas en l a asp irac ión
En las estaciones de bombeo de cámara seca, estas válvulas son
instaladas para el cierre al fin de aislar la cañería de aspiración, eso se debe, en
caso de tareas de desarme de la bomba, una vez que si no existieren, el líquido
se derramaría. En la Ilustración 14 podemos mirar una válvula de esta tipología
e sus compartimientos.
Ilustración 14 - Válvula de Aspiración y sus partes
La recomendación para estas válvulas es colocar a una cierta distancia
de la succión, para que se estabilice el flujo. En general esta distancia suele ser
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al menos de cinco diámetros. Las válvulas más comúnmente utilizadas son las
esclusas, aunque últimamente se están utilizando eficazmente las válvulas tipo
mariposa. Vale decir que no necesita utilizar estas válvulas en estaciones de
bombeo de tipo inundada. Esta configuración solo tras ventajas a estaciones de
bombeo del tipo cámara seca y puede ser vista en detalle en la Ilustración 15 .
Ilustración 15 - Válvula de aspiración.
Válvula en la desc arga
Esta válvula se coloca luego a la salida de la bomba, lo más próximo
posible. Diferente de la válvula de aspiración, tiene una función de control del
funcionamiento de la bomba. De acuerdo con que este más abierta o cerrada,se puede lograr una regulación de la bomba.
Son comúnmente utilizadas las de tipo mariposa como la mostrada en la
Ilustración 16 . La válvula mariposa es muy usada en procesos para este tipo
de control de flujo y en diversas operaciones. Se llama válvula mariposa “por
su movimiento similar al de la mariposa”. Una de las características de dicha
válvula es que no tiene restricciones en cuando al fluido a controlar. Puede ser
usada para control de flujo en distintas presiones aun es más usada en flujos
de baja presión.
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Ilustración 17 - Válvulas de Retención.
Los tipos de válvulas de retención según descripción técnica de las válvulas de
retención:
Válvula de clapeta oscilante: una clapeta oscilante funciona como
obturador y cierra el paso, por gravedad, cuando el fluido circula en dirección
no deseada. (Ilustración 18 )
Válvula de pistón: un émbolo, terminado en un obturador se apoya sobre el
anillo de cierre; está alojado en un pistón cilíndrico de modo que el fluido, al
pasar en la dirección correcta, levanta el émbolo, pero al cambiar de
dirección, el émbolo asienta sobre el anillo; la forma del apoyo del émbolo
ayuda a que la presión del agua en retroceso apriete el obturador sobre el
anillo de cierre. Como la primera, requiere ser montada en posición
adecuada, pues también funciona por gravedad. (Ilustración 18 )
Válvula de retención de bola: es un tipo especial para terminales de
bombas de extracción de pozos, por ejemplo; una bola se asienta sobre el
anillo de cierre; cuando la bomba extrae agua del depósito o pozo, la bola se
levanta y se dispone en un alojamiento lateral para no estorbar el paso, pero
http://duplex-valves.com/tipos-de-valvulas.htmhttp://duplex-valves.com/tipos-de-valvulas.htm
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cuando para la bomba, retorna, por gravedad, a su posición de cierre para
evitar que la tubería se vacíe. (Ilustración 18 )
Ilustración 18 - Válvulas de retención del tipo clapeta oscilante, bola y pistón.
2.10.2.4 Motores
Los motores eléctricos, Ilustración 19 , son componentes muy importantesen las estaciones, una vez que permiten el accionamiento de las bombas y otros
mecanismos. Visando la durabilidad, el coste de mantenimiento y rendimiento,
los motores trifásicos son los más utilizados en una estación. Dependiendo de
su tensión menores de 100 Kw y mayores de 100 Kw son considerados de baja
y media tensión respectivamente.
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Ilustración 19 - Motor Trifásico.
El uso de baja o media tensión está relacionado a la economía resultante.
La forma de poner los motores en la instalación, responde a la forma constructiva
de la bomba, a la cual va acoplada. Si ésta es vertical, el motor también lo será.
Si es horizontal, ídem.
“ La protección de los motores ubicados en sala de bombas deberá prever
adecuada ventilación del local donde estos motores están instalados, ademásde seguir la IP 55 según las normas IEC, que es la forma constructiva que impide
el ingreso de polvos o salpicaduras”. Un detalle del control de temperatura y
ventilación del local, donde están ubicados los motores, es que los mismos
generan calor, luego, se requiere una atención especial en este sentido.
Para garantizar que las estaciones de bombeo continúen su
funcionamiento normal, ante el corte del suministro de energía, tendremos de
instalar un Grupo Electrógeno, Ilustración 20 , que proporcione la energíaeléctrica, para mantener sin interrupción, todo el sistema.
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Ilustración 20 - Grupo Electrógeno
2.10.2.4.1 Clasificación de los motores
Los tipos de los motores que pueden ser utilizados son:
Motores de corriente Directa
Motores de corriente Sincrónicos
Motores de corriente Asincrónicos
Motor d e corr iente Directa
Un motor de corriente directa, Ilustración 21 , convierte la energía eléctricaen energía mecánica. Entre los motores CD, está el derivado, el de serie, el
compuesto y el de imán permanente.
Ilustración 21 - Motor de corriente Directa.
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La definición del funcionamiento de un motor de corriente directa según
“eHow en español”, consiste en un estator, una armadura, un rotor y un colector
con escobillas. La polaridad opuesta entre dos campos magnéticos dentro del
motor hace que gire. Los motores de corriente directa son el tipo más simple está
equipado con imanes, ya sean permanentes o bobinas electromagnéticas, que
producen un campo magnético.
Cuando la corriente pasa a través de la armadura, también conocida como
bobina o alambre, ubicada entre los polos del imán, el campo generado por la
armadura interactúa con el campo del imán y genera torsión. En un motor, el
imán forma el estator, la armadura se ubica en el rotor y el colector alterna la
corriente entre una bobina y la otra. El colector conecta la fuente de energíaestacionaria a través del uso de escobillas o varas conductoras. Además, los
motores operan con una velocidad fija o un voltaje fijo.
Motor de corr iente Sincrónico
Los motores síncronos, Ilustración 22 , son un tipo de motor de corriente
alterna. Su funcionamiento depende de la rotación del eje que esta sincronizada
con la frecuencia de alimentación. El período de rotación es igual a un número
entero de ciclos. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de
la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares
de polos del motor. Este tipo de motor contiene electro magnetos en el estator del
motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de
sincronismo.
Ilustración 22 - Motor de corriente Sincrónico
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1torhttp://es.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1torhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alterna
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Según la ‘Ectalog” las ventajas de este tipo de motor son:
Ventajas económicas y operacionales considerables, debido a sus
características de funcionamiento;
Corrección del factor de potencia: los motores sincrónicos pueden ayudar
a reducir los costos de energía eléctrica y mejorar el rendimiento del
sistema;
Velocidad constante: los motores sincrónicos mantienen la velocidad
constante tanto en las situaciones de sobrecarga como durante
momentos de oscilaciones de tensión, respetándose los límites del
conjugado máximo (pull-out);
Alto rendimiento: en la conversión de energía eléctrica en mecánica es
más eficiente, generando mayor ahorro de energía;
Alta capacidad de torque: los motores sincrónicos son proyectados con
altos torques en régimen, manteniendo la velocidad constante, incluso en
aplicaciones con grandes variaciones de carga;
Mayor estabilidad en la utilización con convertidores de frecuencia;
Los motores sincrónicos son fabricados para atender las necesidades de
cada aplicación. Que pueden ser: en la minería (moledoras, molinos, cintas
transportadoras y otros), siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y
compresores), papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras,
compresores y refinadoras), Saneamiento (bombas), química y petroquímica
(compresores, ventiladores, extractores y bombas), cemento (moledoras,
molinos y cintas transportadoras) y etc.
Motor de corr iente Asincrónicos
Los motores habitualmente que más se emplea por ser un motor de gran
impulsión y robusto son los de corriente asincrónica, Ilustración 23 . Una de sus
ventajas es que se puede tolerar fluctuaciones de velocidad en relación a lacarga.
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Ilustración 23 - Motor Asincrónico.
El motor asincrónico funciona según el principio de Faraday. Al aplicar
corriente alterna, habitualmente trifásica, a las bobinas inductoras, se produce
un campo magnético giratorio, cuya frecuencia será igual a la de la corriente
alterna con la que se alimenta al motor.
Este campo al girar alrededor del rotor, inducirá corrientes en el mismo, que
producirán un campo magnético que seguirá el movimiento del campo estatórico,
produciendo una cupla o par motor que hace que el rotor gire. Sin embargo,
como la inducción en el rotor sólo se produce si hay una diferencia en las
velocidades relativas del campo estatórico y el rotórico, la velocidad del rotor
nunca alcanza a la del campo rotante. A esta diferencia de velocidad se la
denomina "deslizamiento" y se mide en términos porcentuales, por lo que éstaes la razón por la cual a los motores de inducción se los denomina asincrónicos.
El deslizamiento difiere con la carga mecánica aplicada al rotor, siendo
máximo con la máxima carga aplicada al mismo. Sin embargo, a pesar de esto,
el motor varía poco su velocidad, por lo que se puede deducir que son motores
de velocidad casi constante. Algunas fórmulas para cálculos de velocidad,
potencia y potencia útil están a continuación:
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A. Rendimiento
El rendimiento total de estas máquinas puede ser clasificado de acuerdo con su
tamaño. “En motores pequeños, de hasta 1 KW de potencia, el rendimiento
puede alcanzar el 65 %. En motores medianos (entre 1 y 10 KW), éste puedellegar a tener valores entre un 75% y un 80%. Para potencias de hasta 100 KW
el rendimiento puede alcanzar un 90%, y para potencias superiores se han
obtenido rendimientos de hasta un 95%”.Depende también de calidad
constructiva del fabricante, como los materiales utilizados y otros componentes.
B. Velocidad
Como fue dicho, la variación de velocidad de este tipo de motor es insensible
a la variación de la carga, o sea su velocidad asincrónica casi no cambia para
los diferentes estados de potencias. En motores pequeños, esta variación puede
alcanzar un porcentaje pequeño, mientras que para motores más grandes, este
valor es más pequeño.
C. Factor de potencia
Se define factor de potencia, de un circuito de corriente alterna, como la
relación entre la potencia activa, y la potencia aparente. Da una medida de la
capacidad de una carga de absorber potencia activa. Es aconsejable que en una
instalación eléctrica el factor de potencia sea alto. O es simplemente el nombre
dado a la relación de la potencia activa usada en un circuito, expresada en vatios
o kilovatios (KW).
Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la
instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores
sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone
de ellos).
2.10.2.5 Tuberías
http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_activahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_aparentehttp://www.monografias.com/trabajos/compelectropas/compelectropas.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/compelectropas/compelectropas.shtmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_aparentehttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_activahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctrico
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Las tuberías pueden ser:
Tuberías de succión;
Tubería de impulsión.
Tubería de im pu lsi ón
La tubería de impulsión deberá pasar por un análisis técnico y económico.
Con eso se puede determinar el diámetro que será utilizado en la instalación. El
análisis debe considerar que si el diámetro adoptado es grande, la pérdida de
carga en la tubería será pequeña y por lo tanto la potencia de la bomba será
reducida, luego el costo de la bomba será reducido, pero el de la tubería de
impulsión será elevado.
La fórmula para calcular el diámetro puede ser la de Bresse. Para
estaciones pequeñas su resultado es aceptable, pero para estaciones más
grandes, dará una primera aproximación y es conveniente un análisis
económico:
= √ Siendo:
D = Diámetro económico, m.
K = Coeficiente entre 0.9-4.0.
Q = Caudal de bombeo, m3
El valor del coeficiente K es consecuencia del precio de la energía
eléctrica, pues como hemos dicho este cálculo se hace por imposiciones
económicas. Además, según él guía para el diseño de estaciones de bombeo de
agua potable, de la organización panamericana de la salud, se deben tomar en
cuenta los siguientes aspectos:
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- Dotar al sistema de los dispositivos que aseguren los riesgos debido al
fenómeno del golpe de ariete.
- A la salida de la bomba debe proyectarse una válvula de retención y una de
compuerta. Asimismo, debe considerarse la instalación de uniones flexibles para
mitigar los efectos de vibración.
- En todo cambio de dirección debe considerarse elementos de anclaje y
sujeción.
- El diámetro de las tuberías largas, debe ser calculado con velocidades
relativamente bajas, generalmente entre 0,65 a 1,50 m/s.
- El diámetro de la tubería de impulsión, para distancias cortas, debe calcularse
para velocidades mayores, que esté entre 1,50 a 2,00 m/s.
Tubería de s uc ción
La tubería de succión debe atender algunas consideraciones como:
Intentar ser la más corta posible, evitando piezas especiales;
La altura máxima de succión más las pérdidas de carga, debe
satisfacerlas especificaciones establecidas por el fabricante de las
bombas.
El diámetro de la entrada de la bomba no debe ser tomado como
indicación para el diámetro de la tubería de succión. Para la tubería se
adoptan diámetros mayores con el objeto de reducir las pérdidas de carga.
La pérdida de carga a lo largo de la tubería puede ser calculada a través de la
fórmula de Hazen – Williams:
=0,355,6 × ,4 Donde:
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V = Velocidad media, (m/s).
D = Diámetro, (m).
= Pérdida de carga unitaria, (m/m).C = Coeficiente que depende de la naturaleza de la paredes de los tubos
(material y estado).
Para la pérdida de carga localizada, tenemos:
ℎ = ²2
Donde:
ℎ = Pérdida de carga, (m).K = Coeficiente de pérdida de carga singular.
V = Velocidad media en la sección, (m/s).
g = Aceleración de la gravedad, (m/s2).
Los aspectos que debemos tener en consideración, según él guía para el diseño
de estaciones de bombeo de agua potable, de la organización panamericana de
la salud son los siguientes:
- En la extremidad de la tubería de succión debe ser instalada una rejilla, con un
área libre de los orificios de la criba de 2 a 4 veces la sección de la tubería de
succión.
- Cuando el diámetro de la tubería de succión es mayor que el de admisión de la
bomba, la conexión debe realizarse por medio de una reducción excéntrica con
su parte superior horizontal a fin e evitar la formación de bolsas de aire.
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- La tubería de succión generalmente tiene un diámetro comercial
inmediatamente superior al de la tubería de descarga.
- En una tubería de succión con presión positiva debe instalarse una válvula de
compuerta.
- En una tubería de succión que no trabaje con presión positiva debe instalarse
una válvula de retención en su extremo inferior para evitar el cebado.
- Siempre que las diversas bombas tuvieran sus tuberías de succión conectadas
a una tubería única, las conexiones deberán ser hechas por medio de uniones.
- No deben ser instaladas curvas horizontales, codos o tês junto a la entrada delas bombas.
2.11 BOMBAS E INSTALACIONES DE BOMBEO
Diversos autores dividen las bombas hidráulicas de distintas maneras,
todavía la clasificación más común es, primeramente, dividirlas entre bombas de
desplazamiento positivo y roto dinámicas. Las bombas de desplazamiento
positivo tienen su principio de funcionamiento en el aumento de presión gracias
al empuje de las paredes que varían su volumen. Por esto, estas bombas pueden
ser denominadas también bombas volumétricas y son mostradas en la
Ilustración 24 .
Ilustración 24: Bomba de desplazamiento positivo.
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Actualmente, en los sistemas de bombeo de agua hay un dominio de las
bombas roto dinámicas, y por esto no será presentado un estudio más a fondo
de las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas roto dinámicas tienen
su principio de funcionamiento en el intercambio de cantidad de movimiento entre
la máquina y el fluido. Pueden ser divididas en acerca de:
La forma de admisión del fluido
Succión sencilla
Doble succión
La dirección del flujo
Radial; Axial;
Mixto;
I lustración 26: Ejemplo de bom ba de dob lesucción.
Ilustración 25: Ejemplo de bomba desucción sencilla.
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Ilustración 27: Flujo radial (izquierda), axial (centro) y mixto (derecha). Ilustración en portugués.Universidad de São Paulo.
El tipo de rotor
Abierto;
Semi cubiertos o semi abiertos;
Cerrado;
Ilustración 28: Rotor abierto (abajo), cerrado (izquierda) y semi abierto (derecha). Universidad deSão Paulo.
Posición en relación al agua
Sumergible;
No sumergible;
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Ilustración 29: Ejemplo de bomba sumergible.
Ilustración 30: Ejemplo de bomba no sumergible.
Aunque sea necesario evaluar en cada caso cual sería la bomba más adecuada,
es posible identificar ciertos padrones en el mercado. Las bombas de doble succión
suelen ser más caras que las de succión sencilla, que por eso estas son más
comúnmente utilizadas. En relación al flujo, son más comunes en el mercado para el
bombeo de agua las de flujo radial. Las de flujo axial generalmente pueden manejargrandes caudales de líquidos contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y por
eso no son largamente utilizadas, mientras las bombas de flujo mixto son un intermedio
entre estas dos. Las necesidades hidráulicas son determinantes para la elección del tipo
de flujo de la bomba, y generalmente direccionan el diseño para las bombas de flujo
radial.
El tipo de rotor generalmente determina si es posible la existencia de sólidos en
el agua, y su tamaño máximo. Rotores cerrados generalmente no admiten partículas, y
por lo tanto solo pueden bombear agua limpia. Rotores abiertos pueden bombear agua
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con sólidos de 300 mm o más, dependiendo del modelo de la bomba. Así, son
adecuadas para aguas residuales, sin embargo pueden ser utilizadas también para agua
limpia, aunque generalmente sean más caras que las de rotores cerrados. Las bombas
de rotor semi-abierto también permiten bombearse sólidos, pero de tamaños menores
que las bombas de rotores abiertos.
Las bombas sumergibles son usadas en pozos húmedos, mientras las no
sumergibles son usadas en pozos secos. La cuestión, entonces, es más importante que
apenas la elección del tipo de la bomba en este caso. La obra civil del pozo seco es
generalmente más cara, una vez que además del volumen necesario de agua del
reservatorio hay que tener también el espacio, seco, para las bombas y tuberías. En el
pozo húmedo las bombas comparten el espacio con el reservatorio. Sin embargo, la
manutención de bombas en pozo húmedo es más difícil, por ser necesario sacar labomba del pozo para realizar la manutención. Es necesario tener en cuenta todas estas
variables para elegir si la bomba será sumergible o no.
Ilustración 31: Ejemplo de bomba no sumergible en pozo seco en la ciudad de Lins, Brasil.Universidad de São Paulo.
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Ilustración 32: Ejemplo de bomba sumergible en pozo húmedo. Universidad de São Paulo
Una decisión importante en las estaciones de bombeo en general es si la succión
de la bomba será positiva o negativa. La succión de la bomba es dicha positiva,Ilustración 33 , cuando el nivel mínimo del reservatorio de succión esté el eje de la
bomba, como mostrado en la ilustración siguiente:
Ilustración 33: Ejemplo de bomba con succión positiva. Universidad de São Paulo
La succión es dicha negativa cuando, Ilustración 34 , el nivel mínimo del
reservatorio esté más bajo que el eje de la bomba, como mostrado en lailustración siguiente.
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Ilustración 34: Ejemplo de bomba con succión negativa. Universidad de São Paulo
La succión positiva, hidráulicamente, es más ventajosa. El riesgo de no
funcionamiento gracias a entrada de aire en la tubería es muchísimo menor, y
un buen proyecto del pozo de succión lo puede reducir más, con los correctos
dispositivos anti vórtices. En ciertos casos, todavía, la obra civil puede ser más
cara. Por ejemplo, si el pozo de succión es enterrado, para que la succión sea
positiva será necesario que la bomba esté en una obra enterrada también,
elevando los costes de implantación.Los riesgos de entrada de aire en la tubería pueden ser reducidos,
también, una serie de acciones, como:
Tubería de succión siempre ascendente:
Ilustración 35: La tubería ascendente (derecha) y tubería descendente (izquierda). Universidad deSão Paulo.
Utilización de reducción excéntrica en la tubería de succión
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Ilustración 36: Bomba con reducción concéntrica (izquierda) y excéntrica (derecha). Universidadde São Paulo
Utilización de válvula de retención de pie con filtro
Ilustración 37: Ejemplo de válvula de retención de pie con filtro.
Presencia de reservatorio o bomba auxiliar para cebado de la bomba
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Ilustración 38: Ejemplo de bomba con succión negativa y reservatorio para cebado. CBMESP.
La tubería descendente para el eje de la bomba tiene un riesgo mucho
más grande de que el aire que entre se quede aprisionado, mientras con la
tubería ascendente el aire puede salir del sistema. Lo mismo sirve para las
reducciones: las reducciones excéntricas permiten que el aire salga de la tubería,
mientras las reducciones concéntricas hacen con que el aire se quede
aprisionado.
Las válvulas de retención de pie con filtro son puestas en el comienzo de
la tubería de succión para que cuando se apague la bomba el agua que esté
dentro de la tubería no salga, para mantener el cebado de la bomba. Así mismo,
es posible que el agua salga de la tubería, de manera que es necesario ponerla
nuevamente en carga. Esto se puede hacer con un reservatorio pequeño
exclusivamente para el cebado (con o sin bomba) o manualmente.Para hacer el correcto dimensionamiento de la tubería y la selección
correcta de la bomba, es necesario primero definir los conceptos hidráulicos más
importantes de las bombas:
Caudal
o Es la cantidad de líquido que pasa por unidad de tiempo a través
de una sección de control. Se puede definir también por el producto
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entre la velocidad del fluido y el área de la tubería. Es
tradicionalmente representada por la letra Q y su unidad de medida
es normalmente el m³/s en el sistema internacional. También es
común utilizar el m³/h y L/s.
Presión
o En hidráulica, generalmente es utilizada la presión relativa, es
decir, la diferencia entre la presión en el fluido y la presión
atmosférica. Por esto, un líquido en reposo a cielo abierto sometido
a presión atmosférica tiene una presión igual a cero. Es
tradicionalmente representada por la letra P. La unidad
correspondiente del SI es el Pa (Pascal), pero en hidráulica
generalmente se utiliza el m.c.a (metros de columna de agua).
Potencia hidráulica
o Es el parámetro que mide el trabajo realizado por el líquido en una
unidad de tiempo. En termos hidráulicos, se la puede calcular por
el producto entre el caudal y presión. Es representada por Ph, y
habitualmente presentada en W o kW (unidades de SI), o en CV
(caballo-vapor).
Potencia mecánica
o Es la relación entre la potencia hidráulica y el rendimiento de la
bomba, representada por Pm o Pot.
Utilizando estos conceptos, Bernoulli, estudiando el problema de
conservación de la energía, llegó al concepto de carga hidráulica, que se puede
definir por:
= + +
2
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Donde:
H es la carga hidráulica;
z es la altura del líquido en relación a un plano horizontal de referencia
cualquier;
p es la presión;
γ es el peso específico del fluido;
v es la velocidad del fluido;
g es la aceleración de la gravedad.
Considerando que la energía se conserva en la tubería, la diferencia entrela carga en dos secciones de control de la tubería es necesariamente igual a la
pérdida de carga entre estos puntos:
− = ∆
Y, además, si hay una bomba o una turbina sumando energía al sistema,es necesario llevarla en cuenta:
+ − = ∆
Donde:
H b es la carga aplicada por la bomba; H 1 es la carga en el punto 1 de la tubería;
H 2 es la carga en el punto 2 de la tubería;
∆H es la pérdida de carga en la tubería.
En un tramo de tubería (sin bombas) se puede representar la
conservación de energía como el la Ilustración 39 .
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Ilustración 39: Representación de la conservación de la energía. UNESC.
Cuando son utilizadas bombas, hay diversas representaciones, quedependen del tipo de bomba (si es sumergible o no), si la succión es positiva o
negativa y de las posiciones de los reservatorios. (Ilustración 40 , Ilustración 41 ,
Ilustración 42 , Ilustración 43 , Ilustración 44 y Ilustración 45 ).
Ilustración 40: Ejemplo de línea piezométrica para bomba con succión negativa
Ilustración 41: Ejemplo de línea piezométrica para bomba con succión positiva
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Ilustración 42: Ejemplo de línea piezométrica para bomba sumergible. En este caso, no haysucción.
Ilustración 43: Ejemplo de línea piezométrica para bomba lejana a la estación de bombeo.
Ilustración 44: Ejemplo de sistema con bombas en serie.
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Ilustración 45: Ejemplo de empleo de bomba para aumento de caudal. En este caso, habríanormalmente un flujo por gravedad; todavía, se desea que el caudal sea más grande que esto.
Para dimensionar la tubería y la bomba, la manera más común es a
través de la ecuación de Manning:
=
Dónde:
Q es el caudal de diseño A es el área mojada de la tubería;
n es el coeficiente de rugosidad de Manning;
R h es el radio hidráulico, que es la relación entre el área mojada y el
perímetro mojado;
i es la pendiente de la línea piezométrica.
Simplificadamente, se la puede escribir, en unidades del SI, de lasiguiente forma:
= 0,31
Generalmente, se sabe el caudal de diseño, o un estudio de demanda lo
puede determinar. Así, es necesario determinar solamente el diámetro de la
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tubería y la carga fornecida por la bomba para que se llegue al caudal de diseño.
El diámetro mínimo y máximo de la tubería deben respectar rangos de manera
que no haya vibraciones excesivas, que pueden causar daños en la tubería, ni
deposición de sedimentos. Este rango suele estar entre un 0,5 m/s y 3,0 m/s, o
valores parecidos, de acuerdo con diversos autores. Así, como se sabe el caudal
y el rango de velocidad, se puede determinar los posibles diámetros utilizando la
siguiente ecuación:
=
Donde:
Q es el caudal de diseño;
V es la velocidad del agua en la tubería;
A es el área interno de la tubería.
Con estos rangos de diámetros y la ecuación de Manning, se puede
determinar la pendiente mínima para que se llegue al caudal de diseño, y de la
pendiente mínima se puede llegar a la carga mínima que la bomba debe ofrecer.
La ecuación de Manning no es, todavía, la única manera de hacer los
cálculos para la elegir la bomba. Otra manera común y recomendada por
diversos autores es la “ecuación universal” para determinación de la pérdida de
carga:
∆ = 2 +
2
Donde:
∆H es la pérdida de carga;
f es el factor de atrito;
L es la longitud de la tubería; D es el diámetro interno de la tubería;
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V es la velocidad del fluido en la tubería;
g es la aceleración de la gravedad.
K es la suma de las constantes de pérdidas singulares de carga.
Sustituyendo la velocidad por el caudal (Q) partido por el área, se puede
llegar a la siguiente ecuación:
∆ = 8 +8
4 =( ) + 8
4
Hay diversas formas de calcular el factor de atrito (f), que es diferente para
flujo laminar, transitorio o turbulento. Todavía, en casi todas las aplicaciones
prácticas de ingeniería civil el flujo es turbulento. La más reconocida es el método
de Darcy-Weisbach:
1√ =−2log
/3,7 +
2,51 √
Donde:
f es el factor de atrito de Darcy-Weisbach;
ε es la rugosidad absoluta de la tubería;
D es el diámetro interno de la tubería;
Re es el número de Reynolds.
El número de Reynolds, una relación entre fuerzas de inercia y fuerzas
viscosas, se puede calcular de la siguiente manera:
=
Donde:
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Re es el número de Reynolds;
ρ es la densidad de la sustancia;
v es la velocidad del fluido;
D es el diámetro interno de la tubería; µ es la viscosidad dinámica del fluido (0,001 para el agua).
Es importante fijarse que el cálculo de la pérdida de carga por la ecuación
de Darcy-Weisbach no es explícito, siendo necesario el cálculo iterativo y una
suposición inicial para el valor del factor de atrito. Es posible, también, para llegar
al valor de la suposición inicial del factor de atrito utilizar una ecuación explícita,
como la de Sousa-Cunha-Marques (1999) mostrada en la Ilustración 46 .
Ilustración 46: Ecuación del factor de atrito por Sousa-Cunha-Marques. Aquí, la rugosidad absolutaestá como "k".
Otra manera de determinar el valor de la suposición inicial del factor deatrito es a través del diagrama de Moody como se puede ver en la Ilustración 47
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Ilustración 47: Diagrama de Moody, en inglés.
Vale mencionar que la pérdida total de carga, calculada por la ecuación
universal, será la carga que la bomba deberá ofrecer al sistema. Además,
diámetros más pequeños, con los cuales la velocidad del agua será cerca del
límite máximo de diseño, generan más grandes pérdidas de carga, lo que
resuelta que la bomba tendrá de ser más grande, y por lo tanto más cara y con
más grande consumo de energía eléctrica. Todavía, la obra civil será más barata,
una vez que el volumen de excavaciones será más pequeño.
De manera similar, con diámetros más grandes, la pérdida de carga será
menor, y por lo tanto se puede utilizar una bomba menor y con un consumo más
bajo de energía. Todavía, la obra civil va a ser más cara. Así, en el diseño se
debe analizar todas las posibilidades de combinaciones de diámetros/bombas
de manera a llegar al más bajo precio.
Es interesante, también, hacer un estudio acerca de la posibilidad de
utilizarse dos o más bombas en serie o en paralelo. Así asociando las bombas
en serie, se suma la carga ofrecida por cada bomba, pero no se suman los
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caudales, como es posible ver en la Ilustración 48 . Esto es ideal para
posiblemente disminuir el precio de coste y tornar la operación más flexible.
Ilustración 48: Asociación de bombas en serie.
Es importante decir que la asociación en serie de bombas no es muy
común. Existen bombas que son llamadas de “multiestágios”, que son la
combinación en un único aparato de bombas en serie. Este tipo de bombas
puede ser visto en la Ilustración 49 .
Ilustración 49: Vista partida de una bomba multiestágios.
A su vez, la asociación de bombas en paralelo es común porque se
permite que se aumente el caudal y que se torne más flexible la operación. En
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estas asociaciones es posible que una bomba se quede siempre sin funcionar,
de reserva. La asociación de bombas en paralelo resuelta en una suma de los
caudales, sin cambio de las cargas ofrecidas como se puede mirar en la
Ilustración 50 .
Ilustración 50: Asociación de bombas en paralelo.
Las curvas de las bombas son encontradas en los ca
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