memorial de cálculo - Aguas Santafesinas

ACUEDUCTO GRAN ROSARIO
PLANTA POTABILIZADORA GRANADERO BAIGORRIA- ETAPA I
Diseño Hidráulico de Pozos de Bombeo Estación Elevadora de Agua
Potable
ÍNDICE
1.
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 2
2.
ALIMENTACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO .......................................................... 2
3.
DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO A ACUEDUCTO ROSARIO ................................. 4
3.1
3.2
DEFINICIÓN DEL CAUDAL Y CANTIDAD DE LAS BOMBAS .................................................................. 4
DEFINICIÓN DE LAS DIMENSIONES BÁSICAS PARA EL DISEÑO DEL POZO .................................... 4
4.
DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO A GRANADERO BAIGORRIA ............................. 5
4.1
4.2
DEFINICIÓN DEL CAUDAL Y CANTIDAD DE LAS BOMBAS .................................................................. 5
DEFINICIÓN DE LAS DIMENSIONES BÁSICAS PARA EL DISEÑO DEL POZO .................................... 6
5.
OTRAS CONSIDERACIONES ................................................................................................... 7
1. INTRODUCCIÓN
En el presente documento se definen las dimensiones del pozo de bombeo de las bombas de
agua potable, cuyas capacidades se encuentran definidas en el Pliego de la licitación y
puntualizadas en la Orden de Servicio No. 3 del 7 de marzo de 2012. Sin embargo, estos valores
se modificaron posteriormente, lo que se señala en lo que sigue.
El bombeo de agua potable tiene dos destinos, constituyendo un bombeo para cada uno de ellos:
La especificación original estipulaba bombas de envío al acueducto Rosario, de capacidad
unitaria de 3.360 m3/h a una altura de 75 m, y potencia estimada de 1.050 kw, en arreglo
3+1 totalizando 10.080 m3/h, con variador de velocidad. Para la primer etapa se colocarían
2+1 bombas. Las bombas se alimentarán en media tensión. La modificación posterior
estableció un caudal total de 10.000 m3/h para el acueducto Rosario.
La especificación original estipulaba bombas de envío a Granadero Baigorria, de
capacidad unitaria de 760 m3/h a una altura de 35 m, y potencia estimada en 120 kw, en
arreglo 2+1 totalizando 1.520 m3/h, con variador de velocidad. Para la primer etapa se
colocarán las 2+1 bombas. Las bombas se alimentarán en Baja Tensión. La modificación
posterior estableció un caudal total de 1.600 m3/h para Granadero Baigorria.
En el caso del acueducto Rosario, para tener una mayor flexibilidad en el suministro pero también
en la operación e instalación por etapas, la capacidad total de bombeo se divide en una mayor
cantidad de bombas, lo que no altera el proyecto global. Se adoptan 5 + 1 bombas para el
acueducto Rosario para la Etapa 2.
Para el diseño de los pozos de las bombas se seguirán los lineamientos del American National
Standards Institute recogidos en el “American National Standard for Pump Intake Design”,
(ANSI/HI 9.8-1998), patrocinado por el Hydraulic Institute.
Los pozos seleccionados son los del tipo “trench”, trinchera, donde las bombas se encuentran
dispuestas una a continuación de la otra, y con la particularidad de ser para agua limpia.
2. ALIMENTACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO
Las bombas se alimentan desde la salida de la cisterna de agua potable. Dado que los dos grupos
de bombas tienen tamaños diferentes en términos sobre todo de caudales, se harán dos
estaciones de bombeo, alimentadas desde la salida de la cisterna de agua potable de 12.500 m3
de capacidad.
La capacidad total de bombeo, incluyendo la etapa 2, será de:
Acueducto Rosario:
Q tot. acueducto Rosario =
10.000 m3/h = 2,778 m3/s = 44.033 gpm
Q unit. bombeo acueducto Rosario =
2.000 m3/h = 0,555 m3/s = 8.807 gpm
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Granadero Baigorria:
Q tot. bombeo Gro. Baigorria =
1.600 m3/h = 0,444 m3/s = 7.045 gpm
Q unit. bombeo Gro. Baigorria =
800 m3/h = 0,222 m3/s = 3.523 gpm
Por lo tanto, la capacidad total de bombeo, y en consecuencia la capacidad de los conductos
comunes de interconexión con las estaciones de bombeo es de:
Q tot conductos comunes:
11.600 m3/h = 3,222 m3/s = 51.040 gpm
Según el punto 9.8.2.4.4 Approach velocity del texto mencionado en la Introducción, cuando el eje
de la trinchera está a 90° respecto al flujo de alimentación, como es el caso que se adopta, la
velocidad en dicho conducto no debe superar los 0,6 m/s.
En consecuencia, el canal de la alimentación general a las estaciones de bombeo resulta de:
Canal de alimentación general:
Área:
3,222 m3/s / 0,6 m/s = 5,4 m2 mínimo.
Ancho:
5,0 m adoptado
Tirante mínimo de agua:
5,4 / 5,0 = 1,08 m
Por otro lado, según el cálculo piezométrico de la cisterna de agua potable, el nivel mínimo
admisible operativo en la cámara de salida de cada semi-cisterna es la cota 17,50 m. Este nivel se
adopta para evitar que el agua proveniente de la cisterna descargue en la aspiración de las
bombas con caída libre, lo que podría provocar el arrastre de aire a las bombas, reduciendo así su
eficiencia.
Es evidente que el vaciado de la cisterna no podrá efectuarse a caudal nominal debido a que para
circular un caudal de 6250 m3/h por cada semi-cisterna requiere de una cierta altura de agua
dictada por las leyes de la hidráulica. Por eso no se coloca el nivel mínimo de diseño a caudal
nominal coincidente con el fondo de la cisterna sino más arriba.
En efecto, según los cálculos hidráulicos efectuados, el fondo de la cisterna se sitúa en la cota
16,50 m, en tanto que se adopta como nivel mínimo operativo aguas abajo de la salida de la
misma, la cota 17,50 m.
Así el fondo de la zona común de alimentación a las estaciones de bombeo se fija en el nivel:
17,50 – 1,08 = 16,42 m, que se lleva a la cota 15,90 m
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3. DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO A ACUEDUCTO ROSARIO
3.1
Definición del caudal y cantidad de las bombas
Como se indicó anteriormente, las bombas serán más numerosas para el acueducto Rosario,
definiéndose una cantidad de 5 + 1. Así, resulta lo siguiente:
Caudal total requerido: 10.000 m3/h = 2,778 m3/s
Caudal de bombas seleccionadas: 2.000 m3/h = 555 l/s
Cantidad de bombas requeridas: 5 + 1
Caudal que se requiere bombear en primera etapa: 4.000 m3/h
Cantidad de bombas que es necesario instalar en primera etapa: 4.000/2.000 = 2
Cantidad de bombas que se instalan en primera etapa: 2 + 1; quedan tres lugares para instalar
sendas bombas en el futuro.
3.2
Definición de las dimensiones básicas para el diseño del pozo
Se definen a continuación las dimensiones básicas que determinan el pozo de bombeo según lo
indicado en la referencia mencionada en la Introducción:
V: velocidad en la campana de aspiración = 1,7 m/s
D: diámetro exterior de la campana de aspiración de la bomba, usado para diseño = 0,65
m (según Figure 9.8.25A)
FD: Número de Froude = V/(gD)0,5 = 0,67 (según ecuación 9.8.2.1-1)
S: sumergencia mínima de la aspiración = D(1+2,3 FD) = 1,66 m (según ecuación 9.8.2.12)
C: Distancia de la campana de aspiración al suelo = 0,3-0,5 D. Adoptado: 0,3 m (según
9.8.2.4.8)
Ancho de la trinchera inferior = 2D = 1,30 m (según 9.8.2.4.5)
Altura de la trinchera inferior = 2D + C = 1,60 m (según Figure 9.8.6)
Distancia mínima entre bombas = 2,5D = 1,625 m (según 9.8.2.4.9)
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Distancia del eje de las bombas en los extremos, a las paredes respectivas = 0,75D =
0,4875 m. Adoptado: 0,50 m
Área requerida encima de la trinchera para que la velocidad máxima a nivel mínimo sea de
0,3 m/s = 2,78/0,3 = 9,27 m2.
Ángulo de ampliación de la trinchera: 45° adoptado.
Ancho superior de la trinchera: 3,90 m adoptado.
Área trapezoidal encima de la trinchera = ((1,30 + 3,90)/2) x 1,30 = 3,38 m2
Área rectangular encima de la trinchera = 9,27– 3,38 = 5,89 m2
Altura de la parte rectangular encima de la trinchera = 5,89/3,9 =1,51 m
Área rectangular de la entrada, donde la velocidad máxima, por ser flujo cruzado es de 0,6
m/s (según 9.8.2.4.4) = 2,78/0,6 = 4,63 m2
Altura de agua mínima en el sector de entrada = 4,63/3,9 =1,19 m
En este desarrollo hay dimensiones que son mínimas por respetar. Sin embargo, al colocar en
posición las bombas, es necesario dar cabida tanto a espacios de mantenimiento (del orden de un
metro alrededor de las bombas y sus motores) como a los manifolds de tuberías y válvulas, lo que
puede modificar algunas dimensiones de la trinchera, principalmente su longitud.
4. DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO A GRANADERO BAIGORRIA
4.1
Definición del caudal y cantidad de las bombas
Para el caso del bombeo de Granadero Baigorria, la situación es la siguiente:
Caudal total requerido: 1.600 m3/h = 0,444 m3/s
Cantidad de bombas requeridas: 2 + 1
Caudal por bomba: 800 m3/h = 0,222 m3/s
Caudal que se requiere bombear en primera etapa: 1.000 m3/h
Cantidad de bombas que es necesario instalar en primera etapa: 1.000/800 = 1,25
Cantidad de bombas que se instalan en primera etapa: 2 + 1, es decir, la totalidad prevista
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4.2
Definición de las dimensiones básicas para el diseño del pozo
Como anteriormente, se definen a continuación las dimensiones básicas que determinan el pozo
de bombeo según lo indicado en la referencia mencionada en la Introducción:
V: velocidad en la campana de aspiración = 1,7 m/s
D: diámetro exterior de la campana de aspiración de la bomba, usado para diseño = 0,40
m (según Figure 9.8.25A)
FD: Número de Froude = V/(gD)0,5 = 0,86 (según ecuación 9.8.2.1-1)
S: sumergencia mínima de la aspiración = D(1+2,3 FD) = 1,19 m (según ecuación 9.8.2.12)
C: Distancia de la campana de aspiración al suelo = 0,3-0,5 D. Adoptado: 0,2 m (según
9.8.2.4.8)
Ancho de la trinchera inferior = 2D = 0,80 m (según 9.8.2.4.5)
Altura de la trinchera inferior = 2D + C = 1,00 m (según Figure 9.8.6)
Distancia mínima entre bombas = 2,5D = 1,00 m (según 9.8.2.4.9)
Distancia del eje de las bombas en los extremos, a las paredes respectivas = 0,75D = 0,30
m. Adoptado: 0,30 m
Área requerida encima de la trinchera para que la velocidad máxima a nivel mínimo sea de
0,3 m/s = 0,444/0,3 = 1,48 m2.
Ángulo de ampliación de la trinchera: 45° adoptado.
Ancho superior de la trinchera: 1,80 m adoptado.
Área trapezoidal encima de la trinchera = ((0,80 +1,80)/2) x 0,50 = 0,65 m2
Área rectangular encima de la trinchera = 1,48 – 0,65 = 0,83 m2
Altura de la parte rectangular encima de la trinchera = 0,83/1,8 =0,46 m
Área rectangular de la entrada, donde la velocidad máxima, por ser flujo cruzado es de 0,6
m/s (según 9.8.2.4.4) = 0,444/0,6 = 0,74 m2
Altura de agua mínima en el sector de entrada = 0,74/1,80 =0,41 m
Se adopta una altura de agua superior, ya que el comienzo del pozo se establece a una cota
idéntica a la del pozo del bombeo al acueducto Rosario, mucho más profundo.
Caben para este caso los mismos comentarios hechos para el pozo de bombeo anterior.
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5. OTRAS CONSIDERACIONES
Con el propósito que se desarrolle adecuadamente el flujo en la dirección perpendicular a la de
alimentación, en el sentido del eje de la trinchera, se dará una extensión adicional al canal de
entrada. Esta extensión permitirá, si la experiencia demuestra que es necesario, colocar pantallas
orientadoras o pilares para provocar pérdida de carga, para desalentar la eventual tendencia a
formar vórtices del agua a la entrada de la trinchera.
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