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Comisión Nacional del Agua
MANUAL DE AGUA POTABLE,
ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO
CÁRCAMOS DE BOMBEO PARA ALCANTARILLADO, FUNCIONAL E
HIDRAULICO
Diciembre de 2007
www.cna.gob.mx
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ADVERTENCIA
Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la
fuente.
Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y
Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión
Nacional del Agua.
Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.
Edición 2007
ISBN: 978-968-817-880-5
Autor: Comisión Nacional del Agua
Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo
C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F.
Tel. (55) 5174-4000
www.cna.gob.mx
Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales
Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña,
C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.
Impreso en México
Distribución gratuita. Prohibida su venta.
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Coordinador de Asesores de la Dirección General
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Dr. Michel Rosengaus Moshinsky
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Titular del Órgano Interno de Control
Responsable de la publicación:
Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento
Coordinador a cargo del proyecto:
Ing. Eduardo Martínez Oliver
Subgerente de Normalización
La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el
INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio
CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007
Participaron:
Dr. Velitchko G. Tzatchkov
M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez
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CONTENIDO
Página
1 INTRODUCCIÓN .....................................................................................................1
2 CONCEPTOS BÁSICOS .........................................................................................3
2.1 CLASIFICACIÓN...................................................................................................3
2.1.1 Por la capacidad.................................................................................................3
2.1.2 Por el método constructivo .................................................................................4
2.1.3 Por la ubicación de las bombas..........................................................................4
2.2 CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DE UN CÁRCAMO .................... 11
2.2.1 Personal para la operación de un cárcamo de bombeo ...................................11
2.3 DISEÑO DE LAS CÁMARAS DE SUCCIÓN.......................................................11
2.3.1 Consideraciones relativas al diseño de la cámara de succión ......................... 11
2.4 CONSTRUCCIÓN ...............................................................................................12
2.5 UBICACIÓN ........................................................................................................13
2.6 CARACTERÍSTICAS DEBIDAS AL TIPO DE AGUA QUE SE BOMBEA............13
2.6.1 Sulfuro de hidrógeno ........................................................................................13
2.6.2 Metano .............................................................................................................16
3 HIDRÁULICA .........................................................................................................18
3.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL CÁRCAMO......................................................18
3.1.1 Ventajas por emplear varios equipos de bombeo ............................................19
3.2 VOLUMEN MÁXIMO ...........................................................................................19
3.3 DIMENSIONES DEL SISTEMA...........................................................................19
3.3.1 Altura ................................................................................................................25
3.3.2 Condiciones de succión....................................................................................28
3.4 CÁLCULO HIDRÁULICO DEL VOLUMEN..........................................................29
3.4.1 Caudal a elevar y tiempo de funcionamiento de las bombas ...........................29
3.4.2 Diámetro del conducto de impulsión ................................................................29
3.5 GOLPE DE ARIETE ............................................................................................33
3.5.1 Control del golpe de ariete ...............................................................................35
3.5.2 Válvulas de retención .......................................................................................35
4 ACCESORIOS E INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DEL CÁRCAMO DE
BOMBEO ..................................................................................................................37
4.1 VÁLVULAS Y COMPUERTAS ............................................................................37
4.1.1 Permitir el paso de un flujo o detenerlo ............................................................37
4.1.2 Regular o limitar el flujo ....................................................................................38
4.1.3 Evitar el retorno del flujo...................................................................................38
4.1.4 Regulación de presión y/o gasto ......................................................................39
4.2 REJILLAS............................................................................................................40
4.3 DESMENUZADORES .........................................................................................41
4.3.1 Desmenuzador sin elevación de agua .............................................................42
4.3.2 Desmenuzador con impulsión de agua ............................................................42
4.4 AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................42
4.4.1 Controles automáticos......................................................................................43
4.4.2 Controles manuales .........................................................................................43
4.4.3 Alarmas ............................................................................................................43
4.4.4 Diseño del panel de control ..............................................................................44
4.4.5 Medida de caudal .............................................................................................44
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4.5 SELECCIÓN DE LOS PUNTOS DE CONTROL DE LAS BOMBAS ................... 44
4.5.1 Bombas de una o dos velocidades...................................................................45
4.5.2 Bombas de velocidad variable..........................................................................47
4.6 EQUIPO ELÉCTRICO .........................................................................................47
4.6.1 Tablero eléctrico...............................................................................................48
4.7 CALEFACCIÓN Y VENTILACIÓN.......................................................................48
4.7.1 Instalación de calefacción ................................................................................49
4.7.2 Instalación de ventilación .................................................................................49
4.8 SUMINISTRO DE AGUA MUNICIPAL (POTABLE) ............................................50
4.9 DRENAJE DE LOS CÁRCAMOS DE BOMBEO .................................................51
4.10 RECOMENDACIONES GENERALES...............................................................51
5 EQUIPO DE BOMBEO ..........................................................................................53
5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS ...................................................................53
5.1.1 Bombas centrífugas .........................................................................................53
5.1.2 Bombas de desplazamiento positivo ................................................................56
5.1.3 Bombas especiales ..........................................................................................56
5.2 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN ..............................................................59
5.3 CONSTRUCCIÓN DE LAS BOMBAS .................................................................63
5.3.1 Corrosión y duración de vida de las bombas....................................................63
5.4 ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS ................................................................64
5.4.1 Motores eléctricos ............................................................................................64
5.4.2 Motores de combustión interna ........................................................................68
5.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA.............................................................................69
5.6 SELECCIÓN DE BOMBAS .................................................................................69
5.6.1 Determinación de los caudales ........................................................................71
5.6.2 Ubicación del cárcamo de bombeo ..................................................................72
5.6.3 Tuberías de impulsión ......................................................................................73
5.6.4 Desarrollo de la curva altura-capacidad del sistema ........................................73
5.7 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO ....................................................75
5.7.1 Sistema de una sola bomba .............................................................................75
5.7.2 Sistema de varias bombas ...............................................................................75
5.8 MONTAJE DE LAS BOMBAS .............................................................................77
5.9 TUBERÍAS DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN ...........................................................79
5.9.1 Conducto de succión ........................................................................................79
5.9.2 Conducto de descarga .....................................................................................81
5.10 PRUEBAS Y MANTENIMIENTO DE LAS BOMBAS .........................................82
5.10.1 Pruebas hidrostáticas .....................................................................................82
5.10.2 Ensayos hidráulicos........................................................................................82
5.10.3 Ensayos mecánicos........................................................................................82
5.10.4 Gasto o caudal ...............................................................................................82
5.10.5 Altura manométrica ........................................................................................82
5.10.6 Potencia absorbida.........................................................................................83
5.10.7 Velocidad de rotación .....................................................................................83
5.10.8 Montaje...........................................................................................................83
5.10.9 Mantenimiento de las bombas........................................................................83
6 EJEMPLOS............................................................................................................85
6.1 EJEMPLO 6.1......................................................................................................85
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6.2 EJEMPLO 6.2......................................................................................................86
6.2.1 Capacidad de transporte del canal de llegada (Figura 6.1) con un tirante de
agua de 25 cm...........................................................................................................87
6.2.2 Dimensionamiento de la cámara húmeda del cárcamo....................................89
6.2.3 Dimensionamiento de la tubería de impulsión..................................................90
6.2.4 Tubería de succión para la bomba de tiempo de lluvias ..................................91
6.2.5 Tubería de succión para la bomba de estiaje:..................................................91
6.2.6 Cálculo de los costos medios anuales de bombeo...........................................91
6.3 EJEMPLO 6.3......................................................................................................92
6.4 EJEMPLO 6.4....................................................................................................106
6.5 EJEMPLO 6.5....................................................................................................109
6.6 EJEMPLO 6.6....................................................................................................115
6.7 EJEMPLO 6.7....................................................................................................119
6.8 EJEMPLO 6.8....................................................................................................121
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................123
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1 INTRODUCCIÓN
El manejo del agua residual en una población se lleva a cabo por medio de sistemas
de recolección, así como de tratamiento, reuso y disposición. En cada uno de ellos,
es necesario contar con una serie de muy diversas estructuras. Entre éstas se
encuentra los cárcamos de bombeo, cuya función es elevar el agua de una cota
inferior a otra superior, con el propósito de hacer que el agua posteriormente llegue a
su destino por gravedad. Así mismo, los cárcamos son pieza fundamental para
mitigar las inundaciones que ocurren en nuestro país en relación con el drenaje
sanitario y pluvial.
Puesto que el objetivo básico de un cárcamo es elevar el agua, estos se componen
por cámaras, bombas y equipos auxiliares.
Los cárcamos de bombeo consisten básicamente de dos componentes, la estructura
para interceptar y contener el agua donde se homogeniza la carga de bombeo y se
encuentran el equipo complementario, y otra que sirve para proporcionar la energía
necesaria para elevar el agua acumulada y que constituye el equipo de bombeo. El
diseño de los primeros y la selección de los segundos son básicos para el correcto
funcionamiento de los cárcamos.
Cabe señalar que, en principio, los cárcamos de bombeo deben ser concebidos
como una excepción y no la regla en los sistemas de alcantarillado, dado que
dificultan la operación y la tornan más costosa en comparación con los sistemas que
operan por gravedad. Sin embargo, se debe reconocer como indispensable para
vencer los tramos contra pendiente o mover caudales en terrenos planos. En
consecuencia, los cárcamos de bombeo, al igual que su tamaño y ubicación, debe
atender a criterios tanto técnicos como económicos. Adicionalmente se debe
recordar que en todo momento se bombea agua residual y/o pluvial la cual con
frecuencia contiene sólidos y diversos contaminantes que ocasionan problemas
adicionales de operación.
En este libro se tratará únicamente el caso de las aguas residuales domésticas
municipales y pluviales solas o combinadas.
Este Libro esta pensado en ese contexto y es útil para diseñar adecuadamente
cárcamos de bombeo y para resolver problemas de funcionamiento.
Los aspectos fundamentales de los cárcamos como su clasificación, consideraciones
necesarias para su selección y características generales de los cárcamos
convencionales y prefabricados, así como las características de construcción de los
mismos y los problemas ocasionados por el manejo del agua residual, se presentan
en el Capítulo dos.
El Capítulo tres describe el procedimiento para calcular el volumen requerido,
dimensionar el sistema y los principios de funcionamiento de los cárcamos de
1
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bombeo, el control de los niveles de agua dentro de la cámara húmeda, y evitar una
alta variabilidad de los caudales en los mismos.
En el Capítulo cuarto se describen los accesorios tales como compuertas, rejillas,
desmenuzadores, medidores de caudal, equipo eléctrico y calefacción y ventilación y
se indica como hacer una adecuada selección e instalación de los mismos.
Parte esencial de un cárcamo es el equipo de bombeo, por ello en el Capítulo quinto,
se describen los tipos de bombas que comúnmente se emplean, su colocación
dentro del cárcamo, así como las condiciones generales para su adecuada
operación, así mismo se presentan las recomendaciones necesarias para evaluar y
dar mantenimiento a los equipos de bombeo.
El capítulo seis hace uso de la información descrita en los capítulos previos para
desarrollar un ejemplo práctico de diseño, construcción y funcionamiento.
OBJETIVO
Complementar el Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, con la
elaboración del libro: “Cárcamos de bombeo para alcantarillado funcional e
hidráulico”, en el cual se establezcan los criterios fundamentales para proyectar y
diseñar adecuadamente cárcamos de bombeo que manejen aguas residuales o
pluviales, así como describir la metodología de cálculo.
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2 CONCEPTOS BÁSICOS
Los cárcamos de bombeo se usan para impulsar todo tipo de agua (residual, pluvial,
industrial, etc.) cuando:
•
•
•
La cota del área de donde se capta el agua es muy baja como para drenar por
gravedad a colectores existentes o en proyecto.
Se requiere drenar a zonas situadas fuera de la cuenca vertiente.
El bombeo disminuya los costos para instalar el alcantarillado posterior para
dar servicio a una zona determinada.
2.1 CLASIFICACIÓN
Los cárcamos de bombeo se pueden clasificar de diversas formas acuerdo con:
•
•
•
•
Su capacidad.
El método de construcción empleado (en el sitio, prefabricados, etc.).
La ubicación de las bombas.
La fuente de energía (eléctrica, motores diesel, etc.).
2.1.1 Por la capacidad
En la Tabla 2.1 se aprecia una clasificación de acuerdo con su capacidad para dos
tipos de cárcamos (prefabricados y convencionales).
Tabla 2.1 Clasificación de los cárcamos de bombeo según su capacidad y
método constructivo utilizado
Capacidad m3/s
Clases/tipo
Prefabricado
< 0.02
Eyectores neumáticos
0.006 - 0.03
Cámara de succión
0.006 - >0.1
Cámara seca
Convencional
0.02 - 0.09
Pequeño
0.06 - 0.65
Mediano
> 0.65
Grande
Fuente: Metcalf and Eddy 1985.
La capacidad de los cárcamos convencionales oscilan entre 0.02 y >0.65 m3/s. Se
emplean cuando: 1) las condiciones locales impiden el uso de cárcamos
prefabricados, 2) la magnitud o la variación del caudal es tal que excede la capacidad
manejada por las instalaciones prefabricadas. En otras palabras, cada uno es
diseñado en forma específica para adecuarlo a las condiciones locales.
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2.1.2 Por el método constructivo
Los cárcamos prefabricados son suministrados en módulos que incluyen todos los
equipos y componentes ya montados. En los últimos años, las instalaciones
prefabricadas se han popularizado y se llega a conseguir en la actualidad
instalaciones de capacidades superiores.
2.1.3 Por la ubicación de las bombas
Los cárcamos de bombeo pueden poseer dos cámaras, una seca y otra húmeda. En
la primera se colocan los equipos de bombeo, en tanto que en la segunda se
almacena el agua. Esta combinación conforma un cárcamo seco. Para pequeños
volúmenes, se usan cárcamos húmedos en los cuales el equipo de bombeo está
sumergido en el agua, en tanto que el equipo eléctrico se ubica a pie del cárcamo.
2.1.3.1. Cárcamos secos
Se denominan así por la presencia de una cámara seca situada adyacente a la de
succión donde se alberga las bombas, la tubería de succión e impulsión y sus
correspondientes válvulas. A lo largo de la pared que separa las cámaras hay un
canal de drenaje que recoge y transporta las fugas que puedan producirse, así como
el agua procedente del drenaje de las bombas y de la limpieza de la cámara seca.
El piso de la cámara seca debe tener una pendiente hacia el canal de drenaje y éste,
a su vez, otra de 10 mm/m hacia el sumidero. En la Figura 2.1 se muestra una
cámara seca de un cárcamo de bombeo convencional, mientras que en la Figura 2.2.
la muestra para un cárcamo prefabricado.
En cárcamos de bombeo profundos, se debe contar con un piso intermedio entre la
superficie del terreno y el fondo de la cámara seca, donde se colocan los motores
que accionan las bombas. En cárcamos poco profundos, los motores se colocan
sobre el piso de la cámara, la cual debe ser diseñada lo suficientemente separadas
para permitir la extracción de motores, bombas, tuberías y otros componentes.
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Figura 2.1 Cárcamo de bombeo convencional típico para aguas residuales
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Figura 2.2 Cárcamo de bombeo prefabricado de dos bombas
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2.1.3.2. Cárcamos húmedos
La cámara de succión o pozo de bombeo sirve para almacenar el agua residual
antes de su bombeo. Su volumen depende del tipo de bombas que se emplean, ya
sean de velocidad constante o variable. Si se eligen bombas de velocidad constante,
el volumen debe ser tal que evite ciclos de funcionamiento demasiado cortos, pues
ello provoca una frecuencia elevada de paros y arranques.
Otras funciones de la cámara de succión son conseguir la suficiente sumergencía de
los ductos de la succión de las bombas para evitar la formación de vórtices así como
amortiguar la transición del caudal desde la llegada del agua a las tuberías de
succión de las bombas.
En la Figura 2.3 se muestra una cámara de succión grande que consta de cuatro
bombas y espacio para una quinta. Como puede verse, la cámara se divide en tres
compartimentos, cada uno de los cuales incluye una rejilla de limpieza mecánica
independiente.
Básicamente la cámara de succión consiste de un pozo de registro de dimensiones
superiores a las normales. El nivel mínimo del agua se debe situar a una cota tal que
no permita la entrada de aire a la tubería de succión por la formación de vórtices. La
parte superior de la voluta se debe ubicar por debajo del nivel mínimo del agua para
eliminar la posibilidad de que el aire entre en la bomba.
Cada bomba debe contar con una tubería de succión independiente, con el objeto de
poder sacarla fuera de servicio para su mantenimiento. Por ello, se instalan válvulas
de aislamiento entre la bomba, la cámara de succión, así como a continuación de la
válvula de retención en la descarga. Estas válvulas normalmente son del tipo de
resorte, ya que el espacio disponible en el cárcamo es limitado. En los cárcamos
grandes la extracción de los equipos se realiza con grúas viajeras, mientras que en
los pequeños basta con algún tipo de gancho situado sobre los componentes de gran
tamaño. Las puertas deben ser de tamaño suficiente para permitir la extracción de
los equipos, así como las trampas dispuestas en el suelo para la extracción de
elementos situados en niveles inferiores
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a)
b)
Figura 2.3 Cárcamo de bombeo convencional típico de aguas residuales de
gran tamaño, a) Cámara de succión, b) Cámara seca
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Cárcamos de bombeo con bombas sumergibles
Los cárcamos de bombeo con bombas sumergibles se encuentran disponibles en el
mercado desde hace muchos años, aunque su uso en redes de alcantarillado había
sido limitado por problemas de mantenimiento. Su uso se ha incrementado al
incorporar un sistema de fijación que permite extraer las bombas sin afectar a la
tubería de descarga, mediante guías. En la Figura 2.4 se muestra una instalación
típica.
Los cárcamos de este tipo existen prefabricados en placa de acero. Las válvulas
pueden instalarse en la misma cámara de bombeo, pero el mantenimiento es más
sencillo cuando se colocan en una cámara independiente como se muestra en la
Figura 2.4.
Figura 2.4 Cárcamo de bombeo con bombas sumergibles
Las características generales de los diferentes tipos de cárcamos de bombeo se
resumen en la Tabla 2.2.
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Tabla 2.2 Características generales de los cárcamos de bombeo
convencionales y prefabricados
Características
Obra civil
Cámara de
succión
Cámara seca
Instrumentación
Equipo eléctrico
Fuente de energía
Función normal
Descripción
Prefabricado
Proporciona las
Estructura de concreto reforzado Acero o fibra de vidrio.
condiciones para
con superestructura de
almacenar el agua
mampostería, concreto
antes de ser
reforzado o páneles de madera
bombeada
o metálicos.
Recibe, almacena y
Con frecuencia se
homogeniza el agua A menudo cuentan con rejillas y
emplean como
residual antes de
desmenuzadores para proteger
cámaras de succión
bombearla. Da la
a las bombas. El acceso a la
pozos de registro de
carga necesaria para
cámara de succión debe ser
concreto en cárcamos
realizar el bombeo
directo desde el exterior por
pequeños
sin que entre aire al
medio de una escalera.
equipo
Almacena a las
Los motores y páneles de
Los motores suelen
bombas
control se instalan en el piso
colocarse en la cámara
intermedio o en el superior, a
seca junto con el panel
nivel del terreno.
de control;
generalmente, hay que
instalar un
deshumificador para
proteger este último
contra la corrosión.
Incluye controles
El panel de control de los
El panel de control se
automáticos y
motores se coloca a nivel del
coloca en la cámara
manuales de las
terreno en cárcamos de gran
seca
bombas, las alarmas
tamaño
de nivel máximo y
mínimo y la medición
del caudal
Constituyen el
Los motores se colocan en el
Los motores suelen
sistema de
piso intermedio de la cámara
acoplarse directamente
accionamiento
seca o en el que está a nivel del
a las bombas y el
común de las
terreno.
conjunto se coloca en
bombas
la cámara seca
Suministra la energía
necesaria para el
funcionamiento de
los equipos eléctricos
A veces se emplean motores
duales en cárcamos grandes
para accionar las bombas
Por seguridad, el cárcamo de
bombeo debe contar con un
suministro de energía por
duplicado. Ello se consigue con
dos líneas eléctricas, o bien, con
una línea y uno o más grupos
electrógenos instalados en el
cárcamo
Fuente: Metcalf and Eddy 1985
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Generalmente, sólo
hay una línea de
suministro eléctrico,
aunque puede
instalarse un grupo
electrógeno como
fuente auxiliar
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2.2 CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DE UN CÁRCAMO
En cárcamos donde no hay personal en forma permanente no deben existir ventanas
para reducir el riesgo de vandalismo. La planta debe situarse a una cota superior al
nivel de inundaciones para evitar que el cárcamo quede anegado.
2.2.1 Personal para la operación de un cárcamo de bombeo
Los cárcamos de bombeo modernos están completamente automatizados. Sin
embargo, los pequeños reciben una inspección diaria del funcionamiento y engrase
de los equipos instalados. Los cárcamos de mayor importancia, especialmente los
que sirven a grandes zonas de ciudades, suelen tener operadores que los atienden
permanentemente, aunque el número de los mismos normalmente es pequeño. En la
mayoría de los casos, es suficiente disponer de una o dos personas para la
operación.
Muchos problemas de funcionamiento de las bombas resultan de un diseño
inadecuado del cárcamo de bombeo. Entre los principales se pueden citar la
formación de turbulencias que afectan a la altura de succión y al rendimiento de las
bombas.
2.3 DISEÑO DE LAS CÁMARAS DE SUCCIÓN
En los cárcamos prefabricados, la zona de ubicación debe adaptarse a ellos, los
cárcamos convencionales tienen un diseño específico para cada situación.
El cárcamo en si debe constar de: entradas y salidas para el personal, entradas y
salidas para los equipos, zonas de reparaciones en el sitio de bombas motores,
iluminación, ventilación y suelos adecuados. Las paredes y pisos deberán garantizar
su impermeabilidad.
El cárcamo deberá disponer de grúas viajeras y polipastos para mover equipos, así
como los elementos de medición y control necesarios.
Debe haber dispositivos antivibratorios y aislamientos sonoros de las bombas y
electromotores. Las placas antivibratorias y la presencia de elementos que eviten su
transmisión, así como el empleo de trampas acústicas se consideran
imprescindibles.
2.3.1 Consideraciones relativas al diseño de la cámara de succión
El agua residual penetra en el cárcamo de bombeo a través de la tubería de llegada
proveniente del alcantarillado. Los gases del agua residual así como los materiales
inflamables que pueda contener la misma deben ser venteados al exterior, por lo que
un diseño incorrecto puede causar explosiones. Para reducir este riesgo, todas las
instalaciones eléctricas deben ser a prueba de explosiones.
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Es una buena práctica, y muchas veces se requiere por normatividad, dividir la
cámara de succión en dos o más compartimentos, de manera que pueda dejarse
fuera de servicio una parte del cárcamo para mantenimiento. Debido al tamaño de la
cámara de succión, el flujo no siempre es turbulento, por lo que suele depositarse
arenas y sólidos, por lo que el piso de la cámara debe estar inclinado hacia la zona
de succión de las bombas.
Cada compartimiento de la cámara de succión debe tener una entrada y compuerta
para aislarse y permitir derivar el caudal a otros compartimentos cuando se desee
dejarlo fuera de servicio. No obstante, los compartimentos deben estar
interconectados por medio de compuertas a fin de contar con la totalidad del volumen
de almacenamiento para evitar una excesiva frecuencia de arranques y paros de las
bombas. Si la cámara de succión está cubierta, cada compartimiento debe disponer
de un acceso independiente.
En la Figura 2.2 se muestra un cárcamo pequeño que incluye un desmenuzador y
dos cámaras de bombeo. Se cuenta con dos bombas y espacio para una tercera, el
cual se ha dispuesto de forma que no cree una zona muerta dentro de la cámara de
succión. Las bombas instaladas están situadas en los extremos de la cámara,
mientras que la futura se coloca en medio, más cerca de la entrada del agua
residual. Si ello no fuera así, se crearía una zona muerta en un extremo de la cámara
donde se depositarían los sólidos, dando origen a olores y problemas.
La geometría de la cámara es importante para minimizar la deposición de sólidos. La
plantilla es horizontal hasta un punto situado a 0.3 – 0.4 m más allá del borde exterior
de la campana de la tubería de succión y, a continuación debe ascender hacia la
pared opuesta con una pendiente igual o superior a 1:1 (Figura 2.2).
Siempre es recomendable instalar el bombeo, después del pretratamiento del agua
residual.
2.4 CONSTRUCCIÓN
La estructura de los cárcamos de bombeo debe ser de concreto reforzado. Las
paredes exteriores que quedan enterradas así como las interiores que se encuentran
por debajo del nivel máximo del agua deben ser tratadas con un revestimiento que
evite filtraciones. La estructura exterior debe construirse a prueba de incendio. Tanto
la cámara húmeda como la seca deben estar aisladas entre sí, lo cual exige que las
paredes de separación sean aisladas al vapor, y las juntas de todas las tuberías y
pasamuros aisladas al gas.
Las secciones más empleadas son las cuadradas y rectangulares ya que permiten
una mejor utilización del espacio y una fácil separación entre la cámara de bombeo y
la seca. Sin embargo, en cárcamos profundos el empleo de secciones circulares
conviene, pues son más resistentes a las sobrecargas que las rectangulares.
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2.5 UBICACIÓN
Para definir la localización de un cárcamo de bombeo se deben considerar las
condiciones físicas del lugar y su situación con respecto a las obras de toma y
descarga. El lugar debe ser estable, sin peligro de derrumbes, lejos de cruces con
arroyos y en un terreno consistente. La falta de esta última característica aumenta el
costo de la estructura, ya que no es igual excavar en un terreno rocoso que en una
arcilla frágil. Se puede aseverar que para una misma profundidad los problemas de
ademe se incrementan con suelos menos estables.
2.6 CARACTERÍSTICAS DEBIDAS AL TIPO DE AGUA QUE SE BOMBEA
Las transformaciones biológicas y químicas del agua provocan dos de los problemas
más importantes asociados al funcionamiento de un cárcamo de bombeo de agua
residual y son: 1) la corrosión de las bombas e instalaciones complementarias, y 2) la
presencia de gases malolientes, tóxicos y en algunos casos explosivos. Ambos
problemas se relacionan con la producción de sulfuro de hidrógeno (H2S), y el
segundo con metano (CH4).
2.6.1 Sulfuro de hidrógeno
El sulfuro de hidrógeno en el agua residual, resulta de la reducción bacteriana de
sulfatos (SO42-), sulfitos, tiosulfatos, azufre libre y otros compuestos donde existe
azufre.
La reducción del azufre (orgánico e inorgánico) a sulfuro puede ser efectuada por
diversos microorganismos para obtener su energía y mantener su crecimiento
celular. De hecho, muchos asimilan el azufre inorgánico en forma de sulfato, sulfito y
tiosulfato y lo reducen a sulfuro en su protoplasma, donde se acumula en forma de
derivados orgánicos que contienen azufre, como proteínas y aminoácidos (por
ejemplo cisteina, metionina y cistina).
En condiciones anóxicas (difieren de las anaerobias por la ausencia de oxígeno
disuelto o combinado), dos géneros de bacterias de la especie Desulfovibrio,
comúnmente denominadas reductoras de sulfatos, pueden convertir el sulfato en
sulfito. Los miembros principales de esta especie son Desulfovibrio desulfuricans,
Desulfovibrio vulgaris y Desulfovibrio sal signes. La reducción suele ir acompañada
de la oxidación de la materia orgánica y, en casos especiales del hidrógeno.
Cuando la fuente de la materia orgánica es el ácido láctico, la conversión se
representa por la siguiente reacción:
2CH3CHOHCOOH + SO42- → 2CH3COOH + S2 + 2H2O + 2CO2
(3)
Cuando los organismos que intervienen contienen la enzima hidrogenasa, puede
darse la siguiente reacción que es la responsable de la corrosión de las tuberías de
hierro:
13
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4H2 + SO42- → S2 + 4H2O
(4)
H2S + Fe → FeS + 2H+
(5)
Normalmente la reacción se realiza en la parte sumergida de la película biológica,
que se desarrolla en las paredes bajas de las tuberías. Debido a que la mayoría de
aguas residuales contienen bacterias capaces de completar estas reacciones, así
como materia orgánica e iones sulfatos, siempre existen las condiciones para
producir sulfuro de hidrógeno, aunque no siempre existe producción significativa de
H2S, debido a la intervención de fenómenos de precipitación, oxidación y
volatilización.
El sulfuro de hidrógeno es un gas presente tanto en las alcantarillas como en los
cárcamos de bombeo en forma disuelta en agua residual. El sulfuro de hidrógeno
puede ser oxidado a ácido sulfúrico por la acción de bacterias, lo cual da lugar a
importantes problemas de corrosión. Tiene un olor de huevos podridos. El gas es
tóxico para los seres humanos y ha causado la muerte de muchos operadores de
mantenimiento.
La cantidad de sulfuro de hidrógeno disuelto aumenta al disminuir el pH. Una vez
disuelto se escapa a la atmósfera de tuberías o cárcamos y se deposita en las
paredes situadas por encima de la superficie del líquido. Puesto que, normalmente,
estas paredes están húmedas debido a las condensaciones, se forma una solución
ácida que es muy activa.
El sulfuro de hidrógeno retenido en esas zonas húmedas es transformado en ácido
sulfúrico por la acción de bacterias del tipo Thiobacillus.
H2S + 2O2 → H2SO4
Se ha comprobado que algunas especies Thiobacillus, tal como T. concretivorus,
permanecen activas en soluciones que contienen hasta un 7% de ácido sulfúrico. Sin
embargo, esta reacción viene limitada por la humedad y la presencia de oxígeno.
En el siguiente paso del proceso de corrosión, él ácido sulfúrico reacciona con el
cemento del concreto y, de forma similar con el hierro de los conductos de este
material. Si la tasa de producción de ácido sulfúrico es baja, prácticamente la mayor
parte del mismo reacciona con el cemento, dando lugar a un material pastoso que
queda muy pobremente ligado al material inerte en la fabricación del conducto. Si la
tasa de producción de ácido sulfúrico es elevada, gran parte del mismo no podrá
difundirse a través de la masa pastosa citada y, consecuentemente, será arrastrado
de las paredes por la corriente de agua residual en donde reaccionará con los álcalis,
con lo que el azufre presente quedará en forma de ión sulfato.
14
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2.6.1.1. Control de la corrosión debida al sulfuro de hidrógeno
El costo anual requerido para disminuir los efectos de la corrosión causada por el
sulfuro de hidrógeno en tuberías, cárcamos de bombeo y plantas de tratamiento es
tan enorme, que es importante conocer la forma en que se produce la corrosión y
qué es lo que puede hacerse para controlarla o eliminarla.
La corrosión debida al sulfuro de hidrógeno puede ser controlada si limitan su
producción o se eliminan una vez producido, lo cual se logra mediante:
•
•
•
•
•
•
Control de las descargas que aportan materia orgánica y azufre.
Aireación.
Adición de productos químicos como cloro, peróxido de hidrógeno y otros
agentes oxidantes, nitrato sódico y sustancias activas.
Limpieza periódica, tanto mecánica como química.
Ventilación.
Buen diseño.
Los métodos más utilizados son la aireación, cloración y la limpieza mecánica.
Cuando se prevea que se van a presentar condiciones que den lugar a corrosiones
elevadas y no pueda eliminarse utilizando los métodos de control previamente
mencionados, debe usarse revestimientos protectores que sean eficaces. Los
resultados obtenidos en la utilización de revestimientos a base de pinturas
bituminosas o de resinas epoxy han sido muy variables; el ácido puede difundirse a
través de los agujeros del sistema de fijación del revestimiento y atacar el cemento
de las tuberías de concreto. En tuberías de concreto de gran diámetro se han
utilizado satisfactoriamente unas láminas de cloruro de polivinilo con unos nervios en
forma de T en su parte interna que quedan humedecidos en el concreto.
2.6.1.2. Efectos de los gases
En la Tabla 2.3 se resumen algunos de los efectos por la exposición al sulfuro de
hidrógeno. La concentración mínima que produce muerte es de 300 ppm, mientras
que 3000 ppm suponen una muerte casi instantánea. Los gases desprovistos de
olores también pueden ser tóxicos, como el caso del metano, propano, butano, etc.
El uso del cloruro férrico para acondicionamiento químico reduce significativamente
los olores causados por la descomposición de la materia orgánica en aguas
residuales, sin embargo para la mayoría de los desechos municipales, los polímeros
proveen una operación más económica.
En condiciones aerobias, numerosos compuestos orgánicos pueden convertirse en
otros más simples, dióxido de carbono y diversos compuestos orgánicos oxidados.
La presencia de dióxido de carbono tiende a disminuir el pH. En condiciones
anaerobias, lo más posible es que los compuestos orgánicos complejos del agua
15
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residual se transformen en dióxido de carbono, metano, compuestos orgánicos más
sencillos y ácidos. Tanto el dióxido de carbono como los ácidos producidos tienden a
disminuir el pH.
Tabla 2.3 Efectos producidos por la exposición al sulfuro de hidrógeno a
Tiempo y condiciones de
exposición
Exposición prolongada,
trabajo ligero 1 a 2 h,
trabajo ligero
Concentración de sulfuro de hidrógeno en
la atmósfera del cárcamo de bombeo,
ppm en volumen
5 – 10 (algunas personas menos)
10 – 50 (algunas personas menos)
6 h, trabajo manual
pesado 1 h, trabajo
manual pesado
a
Alrededor de 50
Alrededor de 100
Efectos
Poco o ninguno
Comezón en los ojos e
irritación respiratoria,
dolores de cabeza
Ceguera temporal
Límite máximo sin
consecuencias serias
Adaptado de Metcalf and Eddy 1985.
2.6.2 Metano
El gas metano es el principal subproducto de la descomposición de la materia
orgánica en aguas residuales. Es incoloro, inodoro, hidrocarburo de alto valor
calorífico. Normalmente no se encuentran grandes cantidades en aguas residuales
no tratadas debido a que aún pequeñas cantidades de oxígeno son tóxicas a los
organismos responsables de la producción de metano.
Por si mismo, el metano no es tóxico. Debido a que el cerebro es dependiente del
dióxido de carbono al respirar, y no a la falta de oxígeno, la persona puede no
mostrar algún síntoma antes de perder la conciencia. Esto hace que la exposición al
metano sea especialmente peligrosa. Si un trabajador ha estado en contacto con el
metano, los primeros auxilios son muy similares a los que se dan al contacto con el
CO2; remover y dar respiración a la persona. Debe estar en observación por una
persona calificada en salud. Debido a que el metano es más ligero que el aire, es
importante que el aire se haga circular creando un ambiente fresco.
Las bacterias responsables de la conversión de materia orgánica a gas metano son
estrictamente anaerobias llamadas metanogénicas. Las bacterias más importantes
de este grupo son las que utilizan el hidrógeno y el ácido acético. El metano es
insoluble y su salida de la solución representa estabilización residual real.
Es importante notar que las bacterias de metano pueden usar solamente un número
limitado de sustratos por la formación de metano. Se sabe recientemente que estas
bacterias usan los siguientes sustratos: CO2 + H2, formato, acetato, metanol,
metilamina, y monóxido de carbono.
Su bajo límite de flamabilidad es cerca del 6% y el límite más alta es de 15%. En el
rango de 6 a 10% una mezcla de metano-aire puede ser positivamente explosivo.
16
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Las mezclas de metano y aire explotan violentamente y fácilmente. Aún una chispa
eléctrica puede provocar una explosión de metano.
Debido a la gran combustión del metano, deben seguirse ciertas reglas de seguridad:
•
•
•
•
•
No fumar o encender fuego cerca de los cárcamos de bombeo y tuberías.
Estar seguros que todo el equipo eléctrico sea de variedad antiexplosiva.
Asegurase que todas las válvulas estén libres de obstrucciones y trabajando
en buen estado.
Realizar inspecciones y mantenimiento frecuentes en todos los equipos.
Cuando sea necesario realizar un trabajo en el área donde se produce el
metano, checar la proporción aire-metano. Use ventilación forzada cuando sea
necesario.
17
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3 HIDRÁULICA
3.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL CÁRCAMO
El volumen mínimo necesario del cárcamo de bombeo depende del tipo y
funcionamiento de las bombas. Si éstas son de velocidad variable, de forma que se
varía el caudal de bombeo de acuerdo con el agua residual que llega al cárcamo, el
volumen requerido es pequeño, siendo suficiente aquel que permita el cambio de la
capacidad de bombeo cuando se arranca o para una bomba antes de alcanzar el
nivel definido para este. Normalmente, este tiempo suele ser inferior a un minuto.
En cambio las bombas de velocidad constante o de dos velocidades necesitan
mayores volúmenes de almacenamiento para evitar ciclos demasiado cortos. El
tiempo entre arranques es función de los caudales de bombeo que entran al
cárcamo. En bombas con motores de dos velocidades, el caudal de bombeo es la
diferencia entre el caudal correspondiente a cada velocidad. El tiempo entre
arranques para motores de potencia inferior a 15 kW puede reducirse hasta 10
minutos aunque es recomendable adoptar 15 minutos. Para motores de inducción de
jaula de ardilla con potencias entre 15 y 75 kW, el tiempo entre arranques debe de
ser mayor a 15 minutos. Para potencias superiores a 75 kW pero inferiores a 200
kW, el tiempo entre arranques debe estar comprendido entre 20 y 30 minutos. Para
motores mayores a 200 kW se recomienda consultar con el fabricante.
El volumen comprendido entre los puntos de arranque y paro de una sola bomba o
un solo escalón de control de velocidad para bombas de dos velocidades, está dado
por:
V=
donde:
V:
θ:
q:
θq
4
(3.1)
Capacidad necesaria, m3
Tiempo mínimo de un ciclo de bombeo (tiempo entre arranques sucesivos
o cambios de velocidad de una bomba que funciona entre los límites de un
intervalo de control), min.
Capacidad de la bomba o incremento del gasto del bombeo cuando una
bomba se encuentra en funcionamiento y arranca una segunda o cuando
se aumenta la velocidad del motor, m3/min.
El tiempo mínimo del ciclo de funcionamiento de una sola bomba ocurre cuando el
caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba. En
estas condiciones, la duración en funcionamiento y paro son iguales. Para caudales
de entrada mayores, el tiempo de funcionamiento es mayor y el de paro menor,
mientras que para caudales de entrada menores, ocurre lo contrario. En ambos
casos, el tiempo de ciclo es mayor.
18
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3.1.1 Ventajas por emplear varios equipos de bombeo
Si el volumen calculado implica construir una cámara húmeda excesivamente grande
para un cárcamo que conste de dos bombas iguales, una de las cuales está de
reserva, se puede reducir el volumen a la mitad instalando controladores automáticos
que arranque y pare las bombas en forma alterna y reduzca el valor de θ a la mitad
del necesario para una sola bomba.
3.2 VOLUMEN MÁXIMO
En general siempre se establece un tiempo de retención máximo en el cárcamo para
minimizar el desarrollo de condiciones sépticas y producción de olores que conduce
a su vez a un volumen máximo. A menudo, este se establece en 10 min, para el
caudal medio del proyecto. Desgraciadamente, este valor con frecuencia se
contrapone con la necesidad de disponer de volumen adecuado para evitar ciclos de
funcionamiento de las bombas demasiado cortos. Por esto se instalan varias bombas
o bombas de dos velocidades para reducir el incremento del caudal de bombeo y, en
consecuencia, el volumen necesario. Además, se puede minimizar la producción de
olores si el nivel mínimo del agua en el cárcamo se encuentra por encima de la zona
cuyo fondo tiene una pendiente, lo cual se logra al hacer que dicho nivel concuerde
con la primera bomba dentro de la secuencia de bombeo.
El problema más frecuente es obtener suficiente volumen de bombeo a un costo
razonable. En los cárcamos importantes que dan servicio a grandes colectores, se
puede conseguir un volumen efectivo adicional utilizando la capacidad de
almacenamiento de los colectores. Si el punto de arranque de las bombas en el
cárcamo de bombeo está situado por debajo de el piso de los colectores, no es
posible utilizar la capacidad de almacenamiento de éstos. Sin embargo, cuando se
encuentra por encima, se pueden obtener las curvas del contraflujo y calcular el
volumen de almacenamiento efectivo en los colectores entre los diversos escalones
de control. Este volumen, a menudo representa el 50% del total. Este sistema es
comúnmente utilizado en cárcamos de bombeo que incorporan rejillas de limpieza
automática.
3.3 DIMENSIONES DEL SISTEMA
La función del depósito del cual se va a tomar agua, es proporcionar una distribución
del flujo hacia la campana de succión. Una distribución desigual se caracteriza por
fuertes corrientes locales que favorecen la formación de torbellinos y con bajos
valores de profundidad que pueden introducir aire a la bomba, reduciendo su
capacidad y produciendo mucho ruido.
El nivel adecuado de profundidad depende, principalmente, del acceso a la toma y
del tamaño de la bomba. Los fabricantes de bombas, generalmente proporcionan
información sobre los problemas específicos, cuando el diseño del cárcamo es en
forma preliminar, y si este diseño contiene todos los dibujos necesarios para la
instalación que proporcionen las limitaciones físicas del lugar.
19
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Un análisis completo del efecto de la forma de los depósitos se logra con estudios de
modelos físicos a escala. Sin embargo, se pueden hacer algunas recomendaciones:
•
•
•
•
•
•
•
El acceso ideal, es un canal recto que llegue directamente hacia la bomba; las
curvas y obstrucciones son perjudiciales pues causan corrientes y remolinos. La
campana de succión debe estar localizada cerca de la pared trasera o posterior y
no lejos de la base o piso del pozo de succión.
El agua no debe pasar por la zona de influencia de una bomba para llegar a otra.
Si las bombas tienen que estar localizadas en una sola línea del flujo, se debe
construir una celdilla alrededor de cada una o poner paletas móviles bajo la
bomba de paro para desviar el agua hacia arriba. La forma de un pozo de
succión debe ser probado para verificar estos requisitos.
En lo posible, la trayectoria del flujo debe ser tal que reduzca el arrastre alterno
de remolinos tras la bomba y bloquear la corriente del flujo.
La Figura 3.1 muestra cómo construir un pozo de succión con las medidas
correctas. Los valores ahí presentados provienen de promedios obtenidos de
diferentes clases y tipos de bombas y se refieren a una línea entera de
velocidades específicas, por lo que no deben ser tomados como valores
absolutos, sino únicamente, como guías.
La dimensión “C” es un valor promedio que puede ser mayor o menor en función
de lo que sugiera el fabricante de la bomba.
La dimensión “B” se propone como máxima y depende en cierta forma de la
campana de succión y del diámetro de la válvula de succión propuestos por el
constructor. La orilla de la campana debe estar lo más cercana posible a la pared
trasera del depósito o cárcamo; algunas veces la posición de la campana de
succión está sujeta al espacio que requiere el motor en el piso superior, si esto
aumenta la dimensión “B”, excesivamente, deberá instalarse un muro falso.
“S” es el ancho mínimo para instalar una sola bomba, su valor puede ser
aumentado pero si se disminuye se debe consultar con el fabricante para saber
cuanto es lo máximo.
20
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Para cárcamo múltiple
S
189000
S
S/2
B
15750
13600
Para una
bomba
S
Rejilla o compuerta
H
Y
S
C
6300
5670
5040
4410
3780
B
7875
A
)A
3150
Para varias
bombas
m /s
2520
0 .6
1890
Vc =
1575
A(
1260
Rejilla
945
787.5
Vc
630
567
504
441
378
Dirección del flujo
315
Nivel mín
del agua
252
25.40
17.78
12.70
Dimensiones recomendadas en cm
10.16
6.35
7.62
5.08
3.17
3.81
2.54
1.27
1.52
1.78
2.03
1.02
0.63
0.76
0.32
0.38
0.44
0.51
189
0.13
0.15
0.18
0.20
0.23
0.25
l /s por bomba
S/2
Y
9450
H
C
Fig 3.1
Figura 3.1 Dimensiones del cárcamo con relación al flujo
21
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•
•
•
•
La dimensión “H” es el valor mínimo y está basada en el nivel normal del agua en
la campana de succión de la bomba, tomando en consideración las pérdidas por
fricción a través de la pichancha, rejilla y acceso a la toma. Esta dimensión
puede ser considerablemente menor, momentáneamente, o con poca frecuencia,
sin que por eso se produzca un daño grave a la bomba. Sin embargo, deberá
recordarse que esta no representa la profundidad, la cual se estima a partir de
“H” menos “C” que representa la altura física del nivel del agua arriba de la
entrada de la campana de succión. La bomba debe estar sumergida un poca
más de este último nivel mencionado ya que la abertura del impulsor está a cierta
distancia arriba de la entrada de la campana de succión, posiblemente de 0.9 a
1.2 metros.
Las dimensiones “Y” y “A” son valores mínimos recomendados, que pueden ser
tan grandes como se desee, pero con el límite indicado en la curva. Si el diseño
no incluye una rejilla, la dimensión “A” puede ser más grande, sin embargo si el
diseño si la incluye, las dimensiones del ancho y de la altura de este no deben
ser, sustancialmente, menores que “S” y “H”, respectivamente.
Si la velocidad de la corriente principal es mayor que 0.6 m/s, es necesario
construir, separadores en el canal de acceso paralelo al flujo, aumentar la
dimensión “A”, hacer un ensayo con un modelo de la instalación o idear una
combinación de estos factores.
Las dimensiones que se muestran en la Figura 3.1 se basan en la capacidad de
las bombas para una carga determinada. Cualquier aumento en la capacidad es
aceptable en forma momentánea o por tiempo muy limitado, ya que el diseño se
basa en valores de carga determinados. Si estos tiempos de operación llegan a
ser largos, es preferible que el diseño se realice de acuerdo a la máxima
capacidad de las bombas y así mismo obtener las dimensiones correspondientes
del diseño del cárcamo.
Todas las condiciones anteriores también son aplicables cuando se trata de
instalaciones múltiples de bombas, en las cuales “S” viene a ser el ancho de una
celda individual de una bomba, o sea, la distancia de centro entre dos bombas, si no
se usan muros de división, adicional a lo mencionado, se debe considerar:
•
•
Para el diseño del cárcamo se recomienda en primer lugar, que el agua llegue
con baja velocidad, flujo recto y uniforme (Figura 3.2a). simultáneamente a todas
las bombas. La velocidad cerca de la bomba deberá ser alrededor de 0.3 m/s.
No se recomiendan cambios bruscos en el tubo de succión, el cárcamo y el tubo
de alimentación (Figura 3.2c).
Bombas trabajando en un mismo cárcamo operarán mejor sin muros divisorios
siempre y cuando no estén en operación al mismo tiempo, en cuyo caso el uso
de separaciones es recomendable (Figura 3.2b). Si se usan paredes de
separación con fines estructurales y las bombas van a operar intermitentemente,
se debe dejar un espacio entre cada pared o división. Si es necesario usar estas
paredes, se debe aumentar la dimensión (S) por medio de la amplitud de la
pared para corregir el espacio en la línea central; ya sea que las terminales de
los separadores sean en forma redonda u ojival.
22
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•
•
•
•
•
•
Debe acoplarse un tubo relativamente pequeño para alimentar una bomba de
gran tamaño dentro del cárcamo, usando una sección cónica de diámetro
gradualmente menor a mayor. El ángulo deberá ser lo más grande posible, de
preferencia superior a 45 grados; con este arreglo, las velocidades deberán ser
menores de 0.3 m/s. No se recomienda conectar un tubo pequeño directo a un
cárcamo grande cuando las bombas queden muy cerca de la toma, pues el
caudal sufrirá un cambio de dirección importante para llegar a la mayoría de las
bombas. Centrar las bombas en el cárcamo produce grandes áreas de
turbulencia atrás de las mismas, lo que afecta su operación.
Un cambio brusco entre el tubo de entrada y el cárcamo se puede aceptar si su
longitud es igual o excede a los valores que se muestran (Figura 3.2d) siempre y
cuando la velocidad del agua sea <3 m/s. Si la relación W/P aumenta, la
velocidad de la toma en “P” aumentará hasta un máximo permisible de 2.4 m/s,
en W/P igual a 10.
No se recomienda instalar las bombas en línea, a menos que la relación entre el
cárcamo y bomba sea bastante grande y las bombas estén separadas por un
margen longitudinal amplio (2 veces el diámetro de la bomba).
Muchas veces es conveniente instalar las bombas en túneles o líneas de
tuberías (Figura 3.2e). Un tubo protector o una lumbrera que aloje la bomba junto
con un tubo de succión con entrada en “L” y orientado hacia la corriente, es
adecuado para caudales hasta de 2.4 m/s. Si no se instala la entrada en forma
de “L”, la campana de la bomba deberá estar por lo menos a dos diámetros
verticales arriba de la parte superior del túnel y no suspendida dentro del flujo del
túnel, especialmente si las velocidades en el túnel son mayores de 0.6 m/s.
No debe haber aire a lo largo de la parte superior del túnel. Para ello es
necesario profundizar la excavación o conservar el nivel del agua a su mínimo
cuando se trate de un pozo vertical.
Una alternativa para la Figura 3.2b, es establecer respiraderos en las paredes
laterales, partiendo del centro al punto más bajo del nivel mínimo del agua; esto
permitirá desalojar el flujo de las cámaras donde no existe el bombeo (Figura
3.2f).
23
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RECOMENDADO
Ve = 0.3 m/s
o menos
s
Auméntese el espesor del
muro divisor a la distancia
entre ejes de la bomba
s
S = 1 12 a 2 D
Ve
9
16 D
Extremidades de los muros
ojivales o circulares
D
α
Entre la pared y el muro
divisor déjese un espacio
de D
aproximadamente
3
D
D
α mínimo 45°
α preferible 75°
Muro divisor
Alimentación
A
A
2
NO RECOMENDADO
Ve = 0.6 m/s
o mas
Si A es menor de
8 diámetros
Ve
Ve
A
D
a)
b)
L
c)
RECOMENDADO
D
P
Vp
W
D
W/P 1.5 1.5 2.0 4.0 10.0
L 3D 6D 7D 10D 15D
Vp 0.3 0.6 1.2 1.8 2.4 m/s
2F
V hasta 2.4 m/s
Los desarenedores, rejas y pichanchas deberán
colocarse transversalmente a la entrada del canal
al principio de la sección más ancha
S
NO RECOMENDADO A MENOS QUE:
L
W = 5 diámetros o más
VI = 0.06 m/s o menos
L = Igual que al cuadro anterior
S = mayor que 4 D
VI
D
W
d)
e)
RECOMENDADO ALTERNADO CON (b)
Aberturas en
el separador
Nivel mín.
del agua
Fig 3.2
Aberturas en
el separador
Figura 3.2 Cárcamo para varias bombas
24
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V=0.6 m/s
F
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3.3.1 Altura
En los sistemas de bombeo, el término altura se refiere tanto a una bomba como a
un sistema de tuberías. La altura de una bomba es la distancia a la que puede elevar
el líquido y se mide en metros de columna del líquido bombeado. La altura necesaria
para vencer las pérdidas que se producen en las conducciones de un sistema a un
caudal dado es la altura del sistema.
El término altura expresa la distancia vertical entre la superficie libre de agual y una
cota de referencia. Por ejemplo, si se conecta a una tubería a presión un tubo vertical
de diámetro pequeño con el extremo superior abierto, la altura en la distancia media
entre la superficie libre del líquido en el tubo y el eje de la tubería a presión.
Los términos que se utilizan específicamente en el análisis de bombas y sistemas de
bombeo son:
a)
Altura geométrica de succión
La altura geométrica de succión, hs, es la diferencia de cotas existentes entre el nivel
del líquido en la succión y el eje del rodete de la bomba. Cuando el nivel del líquido
en la succión está situado por debajo del eje del rodete, se trata de una elevación por
succión. Las bombas para aguas residuales se suelen instalar con una pequeña
altura geométrica de succión positiva (succión en carga), tal como se muestra en la
Figura 3.3, para evitar tener que incluir un dispositivo de cebado que podría
obturarse por los sólidos presentes en el agua residual, impidiendo el funcionamiento
de la bomba.
b)
Altura geométrica de elevación
La altura geométrica de elevación, hd, es la diferencia de cotas existentes entre el
nivel del líquido en la descarga y el eje del rodete de la bomba.
c)
Altura geométrica total
La altura geométrica total, Hgeom, es la diferencia entre las cotas de los niveles del
líquido en la descarga y succión (hd – hs).
d)
Pérdidas por fricción
La altura o carga de agua que debe suministrarse al sistema para vencer la fricción
que produce el flujo del agua a través de las tuberías del sistema, es la pérdida por
fricción. Las pérdidas por fricción en la succión (hfs) e impulsión (hfd) se calculan
mediante la fórmula de Darcy-Weisbach o la de Hazen-Williams.
25
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Regresar
Darcy-Weisbach
Hazen-Williams
donde:
hf :
f, C :
L:
V:
D:
g:
Q:
e)
hf =
8 fLQ 2
π 2 gD 5
⎛ 10.7Q 1.85 L ⎞
h f = ⎜⎜ 1.85 4.87 ⎟⎟
⎝C D
⎠
(3.2)
1 / 0.54
(3.3)
Pérdida de carga, m
Coeficiente de fricción
Longitud de la tubería, m
Velocidad media, m/s
Diámetro de la tubería, m
Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2
Caudal, m3/s
Altura de velocidad
La altura de velocidad es la energía cinética contenida en el líquido bombeado en
cualquier punto del sistema y está dada por:
V2
Altura de velocidad =
2g
donde:
V:
g:
(3.4)
Velocidad del líquido, m/s
Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.
Para determinar la altura en un punto dado del sistema, hay que añadir la altura de
velocidad a la lectura del manómetro.
f)
Pérdidas de carga localizadas
La altura o carga de agua que debe suministrarse para vencer las pérdidas que se
producen en piezas especiales y válvulas se denomina pérdida de carga localizada o
singular. Las pérdidas localizadas en la succión (hms) e impulsión (hmd) suelen
estimarse como una fracción de la altura de velocidad utilizando la siguiente
expresión:
V2
hm = K
2g
26
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(3.5)
Regresar
donde:
hm:
K:
g:
g)
Pérdida de carga localizada, m
Coeficiente de pérdida de carga.
Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2
Altura manométrica total
La altura manométrica total, Ht, es aquella contra la que trabaja la bomba durante su
funcionamiento. Su determinación se realiza a partir de la alturas geométricas de
succión y elevación, las pérdidas por fricción, la altura de velocidad y las pérdidas
localizadas. La expresión para el cálculo de la altura manométrica total de una
bomba se calcula con la ecuación 3.6 (véase Figura 3.3).
2
2
V
V
Ht = H D − H S + d − s
2g 2g
(3.6)
H D = hd + h fd + ∑ hmd
(3.7)
2
H S = hs − h fs − ∑ hms −
donde:
Ht:
HD (HS):
Vd (Vs):
g:
hd (hs):
hfd (hfs):
hmd (hms):
Vs
2g
(3.8)
Altura manométrica total, m
Altura de elevación (succión) medida en la boquilla de descarga
(succión) con referencia al eje del rodete de la bomba, m
Velocidad en la boquilla de descarga (succión), /s
Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2
Altura geométrica de elevación (succión), m
Pérdida de carga por fricción
Pérdida de carga localizada en la impulsión (descarga) del
sistema.
Estos términos se ilustran gráficamente en la Figura 3.3. Todos ellos se expresan en
metros de columna de agua.
27
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Vd2
2g
h fd +
Vd2
2g
Σhmd
Descarga
de la bomba
Ht
h fs +
Σhms
hd
Pérdida en
la entrada
hs
Vs2
2g
Ho
Motor
Hs
Plano de referencias
Bomba
Toma de
aspiración
Figura 3.3 Diagrama esquemático de la altura de elevación de una bomba
3.3.2 Condiciones de succión
La succión nunca debe ser superior a 10.33 m snm. La máxima succión está dada
por la expresión
Ha = 10.33 m – (A + B + C + D)
donde:
A:
B:
C:
D:
Pérdidas en la tubería de succión
Pérdidas debidas a la altitud. La presión atmosférica a nivel del mar y 0 ºC
es de 10.33 m, disminuyendo 1.16 mm por metro de altura, equivalente a
0.086 mm de columna de mercurio.
Pérdidas debidas a la temperatura
Pérdidas debidas a la construcción de la bomba, que varían con el
diámetro, la velocidad de giro y CSPN (Carga de Succión Positiva Neta).
Se recomienda 0.9 Ha para evitar cavitaciones.
28
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(3.9)
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Tabla 3.1 Pérdida de presión, según temperatura
Temperatura ºC
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Pérdida de presión
0.10 0.22 0.47 0.80 1.35 2.10 3.20 4.75 7.20 10.33
metros de agua
Fuente: Hernández, M. 1996.
3.4 CÁLCULO HIDRÁULICO DEL VOLUMEN
3.4.1 Caudal a elevar y tiempo de funcionamiento de las bombas
El caudal Q a elevar se calcula en función del volumen diario de agua por mover y
del tiempo de funcionamiento del grupo.
Para las instalaciones en funcionamiento teórico continuo por seguridad se considera
un tiempo de funcionamiento igual a 20 horas, pero con frecuencia se estima el
tiempo de funcionamiento entre 8 y 12 horas. Cuando las bombas funcionan con
motores eléctricos se reduce el tiempo de funcionamiento, de modo que se puedan
aprovechar las tarifas reducidas durante las horas de bajos caudales de agua.
Es obligatorio contar con dispositivos de cebado en las bombas centrífugas antes de
su puesta en servicio. Cuando se quiera conseguir alturas manométricas elevadas es
preciso emplear bombas multicelulares, conseguidas colando en serie varias bombas
centrífugas. Por el contrario para grandes gastos y pequeñas alturas el acoplamiento
se hará en paralelo.
La reserva contra averías se establecerá con base en un equipo de reserva de igual
capacidad que el de trabajo, si la potencia instalada es inferior a 10 HP. Cuando la
potencia sea superior a 10 HP, se instalarán tres equipos, dos de trabajo y uno de
reserva.
En poblaciones con crecimiento rápido, en los que el caudal es elevado, se instalan
bombas suficientes para la mitad del caudal previsto y se ponen en reserva las
necesarias para el máximo caudal, para que en su momento, se amplíe la instalación
de trabajo al doble, quedando de reserva la misma. Los equipos de reserva podrán
estar accionados por motores de combustión interna o eléctricos, no siendo
admisibles los primeros cuando estén situados a profundidades superiores a 4.0 m, o
en lugares de ventilación insuficiente.
3.4.2 Diámetro del conducto de impulsión
Teóricamente, el diámetro más económico debe basarse en los costos de energía de
bombeo junto con los de amortización de los de inversión correspondientes a la
tubería de impulsión y cárcamo de bombeo. En la práctica, la selección del diámetro
viene gobernada normalmente, por la necesidad de mantener 1) una velocidad
adecuada para el caudal mínimo que evite la deposición de sólidos o 2) una
velocidad capaz de arrastrar los sólidos depositados al menos una vez durante el
29
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día. En consecuencia, la selección de las bombas depende de si éstas son capaces
de descargar los caudales deseados a las alturas manométricas necesarias según el
diámetro de la tubería de impulsión.
Sin embargo, ocurre que, a menudo, no es factible dimensionar las tuberías de
impulsión de gran longitud, basándose exclusivamente, en las limitaciones de la
velocidad para el caudal mínimo. En tales casos, lo más conveniente es elegir el
tamaño más económico de la tubería que consiga velocidades de flujo adecuadas
para el intervalo total de caudales, actuales y futuros, y, a continuación, seleccionar
las bombas. Una vez efectuado este predimensionamiento, puede resultar que sea
necesario emplear un diámetro mayor para reducir las pérdidas por fricción, de
manera que pueda hacerse una selección más adecuada de las bombas. Cuando la
diferencia entre los caudales iniciales y futuros sea considerable, puede ser
necesario instalar, en primera etapa, una tubería de impulsión de menor tamaño e
instalar, más adelante, una segunda.
Las tuberías de impulsión suelen tener, por lo general, diámetros superiores a 200
mm. En algunos casos pueden utilizarse tuberías de 150 mm en cárcamos de
bombeo pequeños y tuberías de impulsión de poca longitud y de 1000 mm en
cárcamos de eyectores pequeños.
3.4.2.1. Pérdida de carga en las tuberías de impulsión
La curva del sistema es una representación gráfica de la altura manométrica total
(altura geométrica más pérdidas de energía cinética), respecto a los caudales
correspondientes. Las pérdidas por fricción en las tuberías de impulsión suelen
determinarse mediante la fórmula de Hazen-Williams. Se recomienda utilizar los
siguientes valores de C para condiciones de proyecto:
C = 100 para tuberías de acero y hierro dúctil sin revestimiento interno.
C = 120 para tuberías de acero y hierro dúctil con revestimiento de
cemento, tuberías de concreto y concreto preesforzado, tuberías de
acero de diámetro igual o superior a 500 mm con revestimiento
bituminoso o mortero de cemento y para varios tipos de tuberías de
plástico.
V = 0.849 CR 0.63 S 0.54
donde:
V:
C:
R:
S:
(3.10)
Velocidad, m/s
Coeficiente de rugosidad
Radio hidráulico, m
Pendiente de la línea de carga, m/m.
Las pérdidas por fricción pueden también calcularse utilizando la fórmula de DarcyWeisbach con valores adecuados de f.
30
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3.4.2.2. Velocidades en la tubería de impulsión
Los criterios relativos a las velocidades en las tuberías de impulsión han sido
desarrollados basándose en que los sólidos no se depositan cuando la velocidad de
circulación es igual o mayor a 0.6 m/s. A velocidades inferiores, o cuando se produce
el paro de las bombas, los sólidos se sedimentan por lo que es preciso conseguir una
velocidad igual o superior a 1.1 m/s para arrastrarlos de nuevo.
En los cárcamos de bombeo de tamaño medio o pequeño, que sirven únicamente a
parte de una zona dotada de red de alcantarillado en donde el caudal puede ser
bombeado de forma intermitente, las velocidades deseables en las tuberías de
impulsión varían entre 1.1 y 1.5 m/s. Un cárcamo pequeño suele tener dos bombas,
una de las cuales está de reserva, de manera que el caudal de bombeo es el máximo
o nada. En cárcamos pequeños que funcionan intermitentemente, los sólidos del
agua residual se depositarán en la tubería de impulsión cuando se pare el bombeo.
Es deseable que la velocidad de circulación sea de 1.1 m/s para asegurar el arrastre
de los sólidos depositados.
En un cárcamo pequeño que conste de dos bombas, debe ser posible el
funcionamiento simultáneo de ambas, aún cuando sólo se precise una de ellas para
bombear el caudal de proyecto. Si los caudales son demasiado pequeños para
garantizar que la velocidad de circulación para el caudal de proyecto será de 1.1 m/s,
se pueden seleccionar las bombas de manera que su funcionamiento conjunto
produzca la velocidad mínima deseada de 1.1 m/s. En este caso, las dos bombas se
hacen funcionar simultáneamente mediante control manual una vez por semana
durante un tiempo suficientemente largo para limpiar la tubería.
Los cárcamos de este tipo de mayor tamaño pueden tener tres o cuatro bombas
iguales, de las cuales una está de reserva. En un cárcamo de tres bombas, se
pueden conseguir velocidades en la tubería de impulsión de aproximadamente 0.9 y
1.5 m/s con una o dos bombas en funcionamiento, respectivamente. En estaciones
con cuatro bombas se pueden tener velocidades del orden de 0.7, 1.2 y 1.7 m/s con
una, dos o tres bombas en funcionamiento, respectivamente. Estas velocidades
tienen en cuenta la ligera reducción de la capacidad de las bombas que se produce
por razón de las mayores pérdidas por fricción resultantes al aumentar los caudales.
En la siguiente Tabla se indican las capacidades necesarias de las bombas para
mantener velocidades de 0.6 y 1.1 m/s en tuberías de impulsión de 150 a 300 mm de
diámetro.
31
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Tabla 3.2 Caudal de las bombas para mantener las velocidades mínimas en las
tuberías de impulsión
Diámetro de la tubería de
Caudal de la bomba, m3/s
impulsión, mm
V = 0.6 m/s
V = 1.1 m/s
150
0.011
0.019
200
0.020
0.035
250
0.031
0.054
300
0.045
0.078
Fuente: Metcalf and Eddy 1985.
El diámetro del conducto de impulsión se establece a partir de criterios económicos.
En su cálculo se considera
•
•
•
Costos de amortización de la conducción.
Costos de amortización de las bombas.
Costos de funcionamiento y mantenimiento.
A partir de estos datos se calcula el diámetro más económico y por consiguiente la
velocidad más económica, haciendo que la suma de los costos considerados sea
mínima.
Para cálculos de anteproyecto se utiliza la fórmula de Bresse
D=H Q
(3.11)
donde:
D: diámetro, m
Q: gasto, m3/s
H: coeficiente cuyo valor más frecuente es 1.5
Para elegir el diámetro de la conducción de impulsión se considera los valores
comerciales más próximos, y se comparara los costos de amortización y
funcionamiento. Una cifra límite para considerar en la elección del diámetro
corresponde a aquella en que las pérdidas de carga son menores al 10% de la altura
geométrica.
Cuando es preciso instalar conos de reducción para acoplar la sección de los
conductos a los orificios de la bomba, la longitud de dicho cono será siete veces la
diferencia entre el diámetro interior del conducto y el del orificio de la bomba.
32
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3.5 GOLPE DE ARIETE
En el caso de paro rápido de las bombas o de fallo del suministro eléctrico, tanto el
caudal como la velocidad en la tubería se encuentran inicialmente en estado
permanente. Si embargo, cuando se corta el suministro de energía al motor, la
bomba se desacelera rápidamente desde su velocidad de régimen hasta cero, dando
lugar a una rápida disminución del caudal descargado a la tubería. Esta disminución
origina una onda de presión negativa (por debajo de la presión normal) que se
traslada velozmente desde el cárcamo de bombeo a lo largo de la tubería de
impulsión hasta su extremo final, dando lugar a una deceleración del caudal de
acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton. Cuando la onda de presión
negativa alcanza el extremo final de la tubería de impulsión, sufre una reflexión que
la hace desplazarse en forma de onda de presión positiva hasta el cárcamo de
bombeo, decelerando adicionalmente el flujo durante su recorrido.
Cuando la onda de presión positiva alcanza el cárcamo de bombeo, se completa un
ciclo de desplazamiento y la onda es reflejada de nuevo produciéndose una segunda
onda de presión inferior que se desplaza por la tubería. Esta secuencia se repite
durante el tiempo en que la velocidad y descarga de la bomba continúan su
decrecimiento. En muy poco tiempo, la velocidad de la bomba se reduce hasta un
punto en el que no puede desarrollar suficiente presión para el bombeo. En ese
momento, la válvula de retención situada en la descarga de la bomba y que
normalmente se utiliza para evitar la inversión del flujo a través de aquella, se cierra
aislando la bomba de las condiciones transitorias que tienen lugar en la tubería de
impulsión. Sin embargo, las variaciones de caudal y velocidad continúan hasta que
toda la energía se disipa en vencer la resistencia al rozamiento de la tubería. Durante
esta secuencia de acontecimientos la carga en el extremo final de la tubería de
impulsión permanece constante. En los puntos intermedios, la carga resultante viene
determinada por la suma de las presiones de las ondas positivas y negativas.
El tiempo empleado por la onda de presión en desplazarse por la tubería y volver al
punto de partida se denomina tiempo crítico y viene dado por:
T=
donde:
T:
L:
a:
2L
a
(3.12)
Tiempo crítico, s
Longitud de la tubería de impulsión entre el punto de cambio del caudal y
el de reflexión, m
Velocidad de la onda de presión, m/s
La magnitud del incremento de la presión en el punto de cambio del caudal es
función de si el flujo se detiene al cabo de un intervalo de tiempo igual, menor o
mayor que el tiempo crítico. La velocidad de la onda de presión y la magnitud del
incremento de la presión se estudian a continuación.
33
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Para el cálculo del golpe de ariete se empleará la formula de Michaud
ΔH =
2 LV
gT
cuando L <
aT
2
(3.13)
aV
g
cuando L >
aT
2
(3.14)
y la fórmula de Allievi
ΔH =
a=
1440
1 + C ( K × d / E × e)
(3.15)
donde:
H:
a:
V:
L:
C:
presión estática, m
Velocidad de propagación de la onda, m/s
Velocidad inicial del agua, m/s
longitud de la tubería, m
1, en tuberías con junta de expansión, C = 1 - μ2 en tuberías con
movimiento axial impedido, C = 5/4 - μ2 con tuberías sin juntas de
expansión y fijas en el extremo
μ: Módulo de Poisson
K: Módulo de masa de agua, K = 2070 MN/m2
d: diámetro de la tubería, mm
E: Módulo de elasticidad de la tubería, MN/m2
e: Espesor de la pared de la tubería, mm
g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2
T: Tiempo de cierre, s
ΔH: Sobrepresión debida al golpe de ariete
En el pasado, el análisis del golpe de ariete en tuberías de impulsión para determinar
las presiones máxima y mínima se llevaba a cabo empleando métodos gráficos,
integración aritmética o ábacos de golpe de ariete. En la actualidad, la gran
accesibilidad a las computadoras, ha proporcionado un sistema muy adecuado y de
muy buena relación costo-efectividad para analizar los problemas relativos al golpe
de ariete y a los regímenes hidráulicos transitorios. Por ejemplo, con un programa
adecuado, la tubería de impulsión puede subdividirse en diez o más tramos de igual
longitud cuyos puntos de separación se corresponden muy próximamente a los
puntos altos del perfil o a cambios del diámetro o del material de la tubería. El efecto
de la existencia de puntos altos, la posibilidad de separación de la columna de agua
en los mismos y las sobrepresiones que se producen al juntarse de nuevo las
columnas de agua no son despreciables en absoluto y pueden ser analizadas
prefecta y económicamente por medio de un programa bien concebido.
34
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3.5.1 Control del golpe de ariete
El objetivo del control del golpe de ariete es limitar la variación de las presiones en la
tubería de impulsión, dentro de un rango determinado de valores, mediante la
reducción de las variaciones de la velocidad. Los problemas del golpe de ariete en
los cárcamos de bombeo y tuberías de impulsión de aguas residuales pueden ser
simples o complejos. En consecuencia, los sistemas de control del golpe de ariete
necesarios para proteger las bombas y tuberías de impulsión pueden ser muy
sencillos o muy elaborados. Los sistemas de control normalmente empleados son los
siguientes:
a. Válvula de retención situada en la descarga de las bombas, dotada de
contrapeso y manivela para ayudar la maniobra de cierre.
b. Válvula de retención de resorte situada en la descarga de las bombas.
c. Válvula de retención de cualquiera de los dos tipos anteriores junto con una
válvula reguladora de alta presión.
d. Válvula de control positivo situada en la descarga, enclavada de manera que se
abra a una presión prefijada durante el arranque y se cierre a velocidad
predeterminada después del corte de energía.
e. Válvula de purga y admisión de aire situadas en el cárcamo de bombeo y en los
puntos altos de la tubería de impulsión para limitar el desarrollo de presiones
inferiores a la atmosférica.
3.5.2 Válvulas de retención
En casos sencillos, tales como cárcamos de bombeo pequeños o medios con tubería
de impulsión de corta longitud (menor de unos 500 m) con trazado ligeramente
ascendente y pequeñas alturas geométrica de elevación (del orden de 15 a 20 m), el
sistema de control puede consistir en una válvula de retención con contrapeso y
manivela, situada en la descarga de la bomba para ayudar la maniobra de cierre del
disco de la válvula cuando se invierte el sentido del flujo.
Los módulos de elasticidad y Poisson Figuran en la Tabla 3.3.
Tabla 3.3 Módulos de elasticidad y de Poisson
Módulo de Poisson
Módulo de elasticidad
Material de la tubería
E, kg/cm2 x 10-6
μ
Acero
2.10
0.2
Fibrocemento
0.234
0.2
Concreto reforzado
2.0
0.2
PVC.
0.028
0.4
PRFV.
0.14 – 0.21
0.3
PVC = Policloruro de vinilo, PRFV = Plástico reforzado con fibras de vidrio
Fuente: Hernández, M. 1996.
35
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Cuando en la tubería de impulsión no existen puntos altos el cálculo del tiempo de
cierre se efectúa mediante:
⎛
LV ⎞
⎟
T = 2⎜⎜1 +
gH m ⎟⎠
⎝
donde
T:
(3.16)
Tiempo de cierre de la válvula de protección, doble del tiempo necesario
para que se anule la velocidad, s.
Hm: Desaceleración media de la presión, incluyendo la fricción, m
L : Longitud de la tubería, m
V : Velocidad inicial del agua, m/s
g : Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.
36
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4 ACCESORIOS E INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DEL CÁRCAMO DE
BOMBEO
4.1 VÁLVULAS Y COMPUERTAS
El principal problema de control que se tiene en los cárcamos es el de impedir el
paso del agua cuando se requiera, como es el caso de la limpieza periódica o para
hacer alguna reparación. También conviene impedir el flujo cuando las bombas no
trabajan para evitar la acumulación de arenas y lodos en el interior, a este control, se
le conoce como emergencia, pues el gasto requerido se regula mediante el mismo
equipo de bombeo. Así mismo, en ocasiones se requiere impedir que el flujo retorne
en contra de un determinado sentido de circulación y, muchas veces también se
requiere poder mantener el flujo a una determinada presión de servicio o liberar el
exceso de presión cuando esta sobrepasa ciertos límites de seguridad. Para hacerlo
se emplean las válvulas y las principales de cada función son:
4.1.1 Permitir el paso de un flujo o detenerlo
Las válvulas más convenientes para abrir o cerrar por completo el paso de un fluido
son las de compuerta (Figura 4.1), ya que producen un cierre hermético cuando
están cerradas y cuando están abiertas permiten el máximo paso al fluido con la
mínima pérdida de carga.
Manubrio
Tuerca del manguito del yugo
Yugo
Manguito del yugo
Brida del prensador
Pernos del prensador
Prensador
Empaque
Caja del empaque
Boquilla del bonete
Pernos sujetadores del bonete
Bonete
Vástago
Anillos del asiento del disco
Espejo
Anillos de asiento del cuerpo
Cuerpo
Figura 4.1 Válvula tipo compuerta: partes principales
Se construyen en todos los diámetros entre 0.6 cm (1/4”) y 91.4 cm (36”).
37
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4.1.2 Regular o limitar el flujo
Las válvulas más adecuadas para esta función son las de globo y de ángulo (Figura
4.2). Dichas válvulas tienen sus asientos construidos de tal modo que producen un
cambio en la dirección del flujo que las atraviesa, incrementado su resistencia al
paso en forma gradual, según la posición de cierre. Estas válvulas se usan poco para
los diámetros mayores de 30.5 cm (12”) debido a los grandes esfuerzos que
requieren para ser operadas bajo altas presiones.
Manubrio
Tuerca del manubrio
Vástago
Tuerca del empaque
Prensador
Empaque
Caja del empaque
Bonete
Tuerca del bonete
Anillo del sujetador
Arandela de seguro
Asiento
Disco
Cuerpo
Figura 4.2 Válvula tipo globo
4.1.3 Evitar el retorno del flujo
Para esta función se utilizan las válvulas de retención (check), mostrada en la Figura
4.3. Estas válvulas se construyen en dos tipos distintos, conocidos como: retención a
bisagra y retención horizontal. Ambos tipos están diseñados para producir la misma
simple función de permitir el paso del flujo sólo en una dirección, de modo que el
sentido del flujo las abre, mientras que la fuerza de la gravedad y el contrasentido del
mismo flujo las cierra automáticamente.
Las válvulas de retención a bisagra se usan con las válvulas de compuerta y las de
tipo horizontal con las válvulas de globo.
38
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Pernos de la tapa
Tapa
Pasador de la bisagra
Bisagra de disco
Asiento del disco
Tuerca del disco
Disco
Anillo de asiento
Cuerpo
Figura 4.3 Válvula tipo retención a bisagra
4.1.4 Regulación de presión y/o gasto
Estas válvulas se utilizan cuando es necesario reducir la alta presión variable
existente en el suministro de entrada, a una presión más baja y constante requerida
por el servicio. Estas válvulas no sólo reducen la presión, sino que la mantienen a los
valores prefijados en forma independiente de la cantidad de fluido que pasa a través
de ellas, todo dentro de límites razonables previamente establecidos.
Las válvulas reguladoras de gasto funcionan de manera muy similar a las válvulas
reguladoras de presión, sólo que en vez de reducir y mantener la presión de salida,
reducen y mantienen el gasto de salida. Dichas válvulas son muy utilizadas en
diámetros mayores a 15.3 cm (6”).
Los tipos de válvulas más recomendables usadas para agua y agua residual se
presentan en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1 Recomendaciones para uso de válvulas de aislamiento
Agua
Agua residual
Cruda
Limpia
Cruda
Tratada
Angulo
B
B
N
B
Bola
B
B
B
I
Mariposa
B
B
N
B
Cono
B
B
B
B
Diafragma
P
P
P
B
Compuerta
Doble disco
B
B
I
B
Aguja
B
B
B
B
Canal
B
B
B
B
Globo
N
B
N
I
Excéntrica
B
B
B
B
B = Bueno, I = Imparcial, N = no se usa, P = poco probable. Fuente: Sanks, R., 1989.
39
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4.2
REJILLAS
Independientemente de su tamaño, todas las bombas, pueden obstruirse con trapos
y otros materiales normalmente presentes en el agua residual.
Los trapos tienen tendencia a engancharse en los componentes de la bomba, y a
acumularse hasta que, eventualmente producen su atascamiento. Para evitar este
problema, en la mayoría de los cárcamos, excepto en los más pequeños, se instalan
dispositivos en la cámara húmeda que separe o desmenuce los trapos y otros
materiales. Los dispositivos más comunes son las rejillas y desmenuzadores.
Una rejilla es un dispositivo formado por un conjunto de barras paralelas cuya misión
es separar los objetos contenidos en el agua residual a medida que pasan a través
de las mismas, en la Figura 4.4. se muestran un tipo de rejillas. Normalmente, las
rejillas son de limpieza automática, aunque se emplean en caso de emergencia las
rejillas de limpieza manual, situadas en canales dobles, cuando las de limpieza
automática están fuera de servicio. Los residuos extraídos deben ser debidamente
dispuestos en rellenos sanitarios, o bien pueden ser triturados y retornados al agua
residual.
En las rejillas, cuanto menor sea la separación entre barras, mayor será la cantidad
de residuos a extraer. En consecuencia, la separación deberá ser lo suficientemente
pequeña para proteger las bombas, pero tan grande como sea posible para reducir la
cantidad de residuos a extraer. Si el único criterio a aplicar es la protección de las
bombas, se sugiere adoptar una separación entre barras del orden de un tercio del
máximo tamaño de sólidos que puede manejar la bomba. La mínima separación
entre barras normalmente utilizada es de 100 mm. Cuando se utilicen separaciones
menores a 75 mm, es de esperar que se presenten problemas porque se separarán
sólidos putrescibles, conjuntamente con el resto de residuos, que pueden producir
malos olores.
Existen varios tipos de rejillas, clasificándose de acuerdo con:
a) Inclinación
•
Horizontales
•
Verticales
•
Inclinadas
b) Separación libre entre barras
•
Finas
•
Medias
•
Gruesas
Aunque no existe un criterio único para la delimitación de los distintos tipos, se
pueden considerar como rejillas finas aquellas en que la separación libre de
aperturas es inferior a 1.5 cm.
40
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La distancia entre barras, en las llamadas rejillas de separación media, oscila entre
1.5 y 5.0 cm. Son las más empleadas en la actualidad, puesto que retienen la mayor
parte de las sustancias arrastradas que no pueden eliminarse por sedimentación.
Para el desbaste grueso del efluente se emplean rejas de abertura entre 5 y 15 cm
cuya limpieza se suele realizar manualmente. Se colocan en la entrada del colector a
la planta de tratamiento, sirviendo como pretratamiento respecto a la rejilla media
colocada a continuación.
Figura 4.4 Rejilla plana e inclinada con peines de limpieza movidas por cadena
En cualquier caso, interesa la colocación de rejillas bien calculadas con lo que se
evitan perturbaciones posteriores, que restan eficacia a todo el sistema de
tratamiento.
4.3 DESMENUZADORES
Un desmenuzador es un dispositivo mecánico que separa los sólidos del agua
residual a medida que pasa a través del mismo y, a continuación, los corta y
desmenuza en tamaños suficientemente pequeños para que puedan pasar a través
del dispositivo de desbaste y de las bombas sin producir atascamientos.
Los trapos desmenuzados tienen tendencias, cuando son agitados, a aglomerarse
formando bolas. Ello puede no constituir un problema en un cárcamo de bombeo en
el que lo único que se pretende es la protección de las bombas, pero si puede serlo
en una planta de tratamiento en la que las bolas de trapo pueden afectar algún
proceso de tratamiento.
41
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Existen dos tipos de desmenuzadores: desmenuzador sin elevación y con elevación
de agua. En los dos casos, se trata de aparatos adaptados especialmente para el
tratamiento de aguas residuales, y capaces de absorber las materias contendidas
normalmente en esta agua, después de un desbaste, la rejilla de separación entre
barrotes de 50 a 80 mm, reduce los sólidos a tamaños de unos milímetros de
diámetro.
4.3.1 Desmenuzador sin elevación de agua
Consiste en un tambor giratorio, perforado con ranuras horizontales que actúan como
rejas. Dicho tambor tiene dispuestos, en filas verticales, unos dientes de acero que
encajan con los huecos de un rastrillo emplazado en el armazón.
El tambor tiene el fondo abierto, y se coloca parcialmente sumergido en el emisario,
de modo que el agua atraviesa las ranuras, quedando detenidas las substancias
gruesas flotantes en las mismas, para ser arrastradas por el giro del tambor y
cortadas al pasar entre los dientes y el rastrillo.
El triturados Passavant mostrado en la Figura 5.10, es a base de martillos alojados
en un cuerpo de fundición provisto de huecos.
El martillo (b), accionado por el motor eléctrico (a), apoya sobre el cuerpo de
fundición (d), con hendiduras y brazo oscilante (c), y por sus acciones violentas y
repetidas de fricción y desmenuzado produce la trituración.
Las materias a triturar llegan tangencialmente al agua en la precámara (e), en la que
el torbellino producido (f) las aspira hacia la cámara de trituración.
Los elementos duros (metales, piedras, etc.) caen a la cámara inferior (g) y se
pueden retirar fácilmente con un rastrillo por la pendiente (h), incluso durante el
funcionamiento del triturador.
4.3.2 Desmenuzador con impulsión de agua
Los desmenuzadores con bombeo trituran los sólidos a la vez que impulsan las
aguas residuales. Su capacidad de impulsión no es elevada, instalándose muchas
veces, en la tubería y en serie, un elemento triturador seguido de la bomba
impulsora.
4.4 AUTOMATIZACIÓN
La instrumentación en los cárcamos de bombeo incluye controles automáticos para
el funcionamiento secuencial de las bombas; controles manuales para el mismo
propósito y las alarmas de problemas de funcionamiento. Todos estos instrumentos
deben instalarse en un panel de control cuyas características dependen del tipo de
cárcamo de bombeo.
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4.4.1 Controles automáticos
El control automático se basa, casi siempre, en el nivel del agua en la cámara
húmeda. El aspecto más importante es el relativo al método utilizado para medir el
nivel del líquido en el cárcamo de bombeo. Estos sistemas incluyen flotadores,
electrodos, tubos de burbujas, medidores sónicos y tubos de capacitancia. También
se han utilizado sensores de diafragma. Cada uno de estos sistemas se describe en
la Tabla 4.2.
4.4.2 Controles manuales
Aparte del control automático, las bombas deben poder ser accionadas manualmente
durante emergencias en las que los controles automáticos no funcionen y durante su
mantenimiento. El control debe incluir tanto el relativo al funcionamiento a velocidad
constante como a velocidad variable. El sistema de control manual debe permitir el
desvío del control de paro de nivel mínimo pero no la alarma correspondiente al
mismo, ya que esta debe ser independiente y funcionar en el caso debido.
4.4.3 Alarmas
El sistema de control debe incluir alarmas. Los cárcamos que no cuentan con
personal permanente, deben disponer de una alarma que se transmita
telemétricamente, o por cualquier otro método, hasta un punto en el que haya
vigilancia continua. Las alarmas deben incluir los siguientes elementos:
•
•
•
Nivel máximo del agua en el cárcamo de bombeo.
Nivel mínimo del agua en el cárcamo de bombeo.
Fallo de las bombas (en cárcamos dotados de bombas de velocidad variable o
con sistema de control complejo).
La alarma de nivel máximo debe estar por encima del arranque de la última bomba
dentro de la secuencia normal de bombeo, pero por debajo del arranque de la bomba
de reserva. Esta disposición permite identificar el fallo de una de las bombas de
funcionamiento normal cuando todavía se dispone de la de reserva.
La alarma de nivel mínimo se coloca por debajo del punto de paro de la primera
bomba (de un grupo de bombas) para indicar un mal funcionamiento del sistema de
control del bombeo. Normalmente, se debe tener un dispositivo de paro de
emergencia por bajo nivel del agua que deja fuera de servicio todas las bombas
antes de que vacíen el cárcamo de bombeo.
Las alarmas que indican un mal funcionamiento de los controles de la velocidad, se
instalan, normalmente, para las bombas de velocidad variable, normalmente, para las
de velocidad variable. El origen de la señal depende del tipo de bomba de velocidad
variable de que se trate.
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4.4.4 Diseño del panel de control
En los cárcamos de gran capacidad se debe instalar un panel de control en el que se
centralice la instrumentación, y que debe incluir los siguientes elementos:
•
•
•
•
•
Indicador del nivel del agua en el cárcamo de bombeo.
Indicador de funcionamiento del medidor de caudal.
Interceptores para la selección de la secuencia de bombeo que permita fijar el
orden de funcionamiento de las bombas normales y la de reserva.
Controles de funcionamiento para cada bomba incluyendo:
a) Interceptor de tres posiciones (manual, paro, automático).
b) Señales luminosas indicadoras de funcionamiento o paro.
c) Controles de la velocidad variable (cuando las bombas sean de este tipo).
o Control manual-automático de velocidad.
o Indicador de velocidad.
d) Amperímetros para cada bomba o medidores de potencia consumida.
Panel indicador de alarmas en que se señalen las alarmas individuales y los
mandos de las señales acústicas.
El número de elementos por incluir en el panel de control depende de la complejidad
y las necesidades de cada sistema.
4.4.5 Medida de caudal
En ocasiones, los cárcamos de bombeo incorporan medidores de caudal. Para
bombas de velocidad constante, el sistema de medida más sencillo es el uso de
contadores horarios en los arrancadores de los motores. Puesto que este tipo de
bombas tiene una descarga relativamente constante, si se conoce el tiempo de
funcionamiento puede conocerse un volumen aproximado de bombeo.
En los cárcamos de gran capacidad, la medición de caudal se lleva a cabo mediante
medidores tipo Venturi o tubos de flujo. En la actualidad es raro utilizar medidores
Venturi porque no suele disponerse de espacio suficiente para el tramo recto de
tubería donde ha de alojarse el medidor. Los tubos de flujo son de uso más común
debido a que se requieren tramos rectos de muy poca longitud antes del medidor.
4.5 SELECCIÓN DE LOS PUNTOS DE CONTROL DE LAS BOMBAS
En el cárcamo de bombeo se requiere un intervalo de control de por lo menos 1 m
entre los niveles máximo y mínimo. La distancia entre los puntos de control (arranque
y paro de las bombas sucesivas) debe ser, como mínimo de 75 mm y
preferiblemente 150 mm. Esta separación mínima es necesaria para permitir la
histéresis en el sistema de control y asegurar la repetibilidad de los componentes del
mismo.
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4.5.1 Bombas de una o dos velocidades
Ambos tipos de bombas son las de control más sencillo, requiriéndose únicamente
un conjunto de interruptores que permitan el paso de un escalón al siguiente. En el
Ejemplo 6.5, Capítulo 6, se ilustra la manera de determinar los puntos de control para
los interruptores de arranque y paro.
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Tabla 4.2 Dispositivos de control del nivel del agua en las cámaras de succión
Dispositivo
Flotador
Electrodo
Tubo de
burbujeo
Medidor
sónico
Tubo de
capacitancia
Sensores de
presión de
diafragma
Descripción
Se emplean en instalaciones sencillas que requieren, únicamente,
control de paro y arranque. Cierto tipo de flotador consiste en un
interruptor de mercurio situado dentro de un elemento flotante que se
encuentra suspendido de la parte superior de la cámara de succión.
A medida que asciende el líquido en ésta, el flotador se va inclinando
hasta cerrar (o abrir) el interruptor de mercurio
Instalación
Hay interruptores de flotador que pueden ejercer diversas acciones de
control, como por ejemplo: 1) un interruptor de mercurio que suele
instalarse en cárcamos de bombeo prefabricados o pozos de bombeo con
bombas sumergidas y 2) un flotador situado en una tubería que puede
conectarse a un tambor con resorte por medio de un cable o cinta. Este
dispositivo indica el nivel de la cámara de succión pero no es muy utilizado
debido a que puede verse afectado por la presencia de acumulaciones de
grasa dentro del tubo
Este sistema utiliza un conjunto de electrodos montados a diferentes
A menudo se utilizan en cárcamos de eyectores neumáticos en donde se
cotas en la cámara de succión. Cuando se eleva el nivel del líquido
emplea el aire comprimido de la fase de trabajo del eyector para mantener
en ésta y entra en contacto con los electrodos, se activan los circuitos
limpios los electrodos, aunque por lo general no suelen utilizarse en los
eléctricos
cárcamos de bombeo. Las grasas y otros materiales presentes en el agua
residual puede recubrir los electrodos colocados en la cámara de succión,
por lo que necesitan limpieza frecuente
Este método es probablemente el más utilizado para el control de
Puesto que la presión diferencial existente en el tubo es pequeña, a
niveles en cámaras de succión. Consiste en la introducción de un
menudo se utiliza un transmisor de nivel para amplificar la presión
pequeño caudal de aire comprimido en un conducto cuyo extremo
diferencial entre los niveles máximo y mínimo de la cámara de succión. Este
está abierto y sumergido en la cámara de succión. La presión por
sistema requiere poco mantenimiento, pues el aire comprimido mantiene al
aplicar depende de la altura del líquido sobre el extremo abierto del
tubo libre de suciedad y de grasa. Si el tubo llegara a obturarse, se puede
conducto. Esta presión indica la profundidad del líquido y sirve para
limpiar aislándolo de los elementos de control e inyectando en aquél aire a
controlar el funcionamiento de las bombas mediante interruptores
presión elevada
Se emplea para medir la distancia existente entre el medidor y la
La localización del medidor es importante porque la señal emitida tiene
superficie del líquido en la cámara de succión
forma de cono con el ángulo de 10º en el medidor. La existencia de
obstrucción dentro del cono, tales como paredes, etc. pueden falsear las
lecturas. El medidor debe estar, aislado de señales eléctricas o acústicas
Consiste en un tubo suspendido en la cámara de succión cuya
Puede haber acumulaciones de materiales en el tubo sensor. Algunos
capacitancia, medida en un circuito electrónico, es proporcional a la
aparatos cuentan con una compensación automática para tener en cuenta
longitud sumergida del tubo. La señal de salida se utiliza para indicar
la acumulación de grasa, pero son más caros.
y controlar el nivel del agua en la cámara
Su principio de funcionamiento es muy sencillo: la caja del diafragma
se fija en una posición que es el punto de referencia para las
medidas. Cuando asciende el líquido por encima del diafragma, la
presión que ejerce sobre el mismo comprime el aire existente dentro
de un conducto cerrado conectado a un elemento sensor de la
presión, dando lugar a un sistema continuo de detección del nivel.
Fuente: Metcalf and Eddy 1985.
46
La grasa puede acumularse sobre el diafragma. Este debe de ser extraido
para eliminarla y vuelto a colocar (sumergir) en el punto de referencia.
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4.5.2 Bombas de velocidad variable
Las bombas de velocidad variable requieren controles más complejos que las de una
o dos velocidades. Los dos tipos básicos de control de velocidad variable son los de
niveles variables y de nivel constante. El primero es el más sencillo. Consiste en
establecer una banda en el cárcamo de bombeo que produzca una señal y controle
la velocidad de cualquiera de las bombas de velocidad variable que se encuentre en
funcionamiento. Las bombas trabajarían a su máxima velocidad para el nivel mínimo.
Las bombas se arrancan y paran por medio de interruptores de nivel,
independientemente de la banda de control de velocidad.
El sistema de control de nivel constante se usa en ocasiones, cuando un sistema
determinado requiere una banda de control estrecha. En un sistema de nivel
constante, se selecciona un nivel del cárcamo de bombeo y cuando el líquido se
eleva o desciende respecto al mismo, se produce una señal de control de la
velocidad que aumenta o disminuye la de la bomba. Cuanto más se desvía el nivel
del líquido del prefijado, más fuerte es la señal para variar la velocidad. Si la bomba
funciona a plena velocidad y el nivel del agua continúa ascendiendo, se pone en
marcha una segunda bomba. Cuando el nivel comienza a descender, la bomba se
para al alcanzar su velocidad mínima de funcionamiento.
4.6 EQUIPO ELÉCTRICO
Los cárcamos de bombeo pequeños funcionan con una tensión de 460 V, tres fases,
y 60 Hz. En los cárcamos de gran tamaño las bombas funcionan con voltajes de
2300 o 4160 V, con equipos auxiliares a 460 V. En la actualidad se exigen que todos
los cárcamos de bombeo tengan grupos electrógenos de reserva.
Los cárcamos cuyo funcionamiento es esencial, pueden tener dos alimentaciones
independientes de distintos transformadores de la compañía eléctrica. Si una de ellas
falla, la otra entra en servicio automáticamente. Si no es posible conseguir dos
alimentaciones independientes, debe suministrarse energía mediante uno o más
grupos electrógenos dimensionados para arrancar y hacer funcionar suficientes
bombas para evitar la inundación de las calles, sótanos y los rebosamientos. En
ciertos casos, se han instalado unidades de accionamiento dual, de manera que las
bombas pueden ser accionadas por los motores o por los grupos electrógenos. En
cárcamos sin personal permanente, la conmutación de las fuentes de energía debe
ser totalmente automática. Los transformadores pueden instalarse en recintos
exteriores convenientemente cercados o pueden ser aéreos.
Los arrancadores de los motores y los controles deben situarse en un conjunto de
control situado a nivel del terreno en una zona limpia y seca. Esta forma de
construcción es más limpia, segura y satisfactoria que los armarios de pared con
arrancadores individuales e interruptores de circuitos que se utilizaban antiguamente.
Los cárcamos de gran tamaño deben disponer de una cámara independiente para la
instrumentación eléctrica, en donde se alojen los arrancadores de los motores,
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interruptores, medidores, instrumentos y el panel de control, dotada de ventilación y
calefacción adecuadas.
Todos los equipos eléctricos y de iluminación del cárcamo de bombeo deben ser
antiexplosivos para evitar el peligro potencial de explosión de los vapores y gases
arrastrados por el agua residual. Debe instalarse una iluminación adecuada y un
número conveniente de tomas de corriente, asimismo antiexplosivas.
4.6.1 Tablero eléctrico
Al elegir el emplazamiento del tablero eléctrico se debe tener en cuenta lo siguiente:
ƒ
ƒ
ƒ
Los relés requieren calentamiento adicional cuando la temperatura exterior es
inferior a 5 ºC.
La superficie de la instalación debe ser vertical y exenta de vibraciones.
Debe preservarse de ambientes húmedos y de zonas inundables.
4.6.1.1. Sentido de la rotación de la bomba
Antes de poner en funcionamiento la bomba, hay que asegurarse que el sentido de
rotación es correcto. Esto se debe comprobar, durante la instalación eléctrica,
mediante el uso de un indicador de dirección de fase. Después de comprobar el
indicador, se conecta la bomba un instante y se observa la iniciación del movimiento
en la bomba. Mirando desde la parte superior del motor, debe ser contraria al sentido
de giro de las agujas del reloj, o la iniciación de la dirección debe ser la indicada en la
etiqueta.
No es conveniente hacer funcionar la bomba en seco, debido a que puede causar
problemas o dañar los elementos de bombeo y la cubierta, el sistema eléctrico de la
misma bomba puede quemarse. Por lo que basta observar el sentido de giro, para
ver si el movimiento es el correcto, y en consecuencia proceder a su corrección, o al
empleo de la bomba.
Una bomba está sometida a variaciones de potencia y, por tanto, debe tener un
amplio margen de sobrecargas. Esto se consigue regulando el relé a la intensidad
absorbida por el motor, cuando la bomba funciona en el punto de mayor consumo.
Esta intensidad para la regulación del citado relé, debe también medirse después de
unos cuantos minutos de funcionamiento del motor.
4.7 CALEFACCIÓN Y VENTILACIÓN
La introducción de instalaciones de ventilación y calefacción es normal en los
grandes cárcamos de bombeo.
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4.7.1 Instalación de calefacción
En los cárcamos de bombeo situados principalmente en la zona Norte de nuestro
país, donde se llegue a presentar una congelación del agua durante el invierno, debe
haber calefacción con control automático. En la cámara seca con personal
permanente es conveniente tener una temperatura agradable mientras que en
aquellas que no tienen personal permanente la temperatura puede ser algo inferior.
El tipo de instalación de calefacción a utilizar depende del tamaño del cárcamo y de
las necesidades caloríficas. En grandes cárcamos se suelen emplear radiadores
alimentados con agua caliente mediante calderas que utilicen gas o gasóleo como
combustible o bien instalaciones de aire acondicionado. En los cárcamos pequeños
la cámara seca puede calentarse por medio de convectores de aire caliente
alimentado con gas o gasóleo que incluyen un doble circuito para calentar
independientemente el cárcamo de bombeo. A veces, en estas instalaciones
pequeñas, se usan radiadores eléctricos.
4.7.2 Instalación de ventilación
La instalación de ventilación de la cámara húmeda y la seca deben ser totalmente
independientes y todos los orificios de paso de tuberías o cables eléctricos han de
estar perfectamente impermeabilizados.
Es esencial disponer de una buena ventilación de aire exterior. Los cárcamos de
bombeo deben incluir sistemas de ventilación mecánica bien distribuidos por todo el
recinto; la salida del aire forzado se realiza por la parte superior del mismo. El
sistema debe ser capaz de mantener una presión positiva en el cárcamo de bombeo
con el fin de reducir al mínimo la entrada a la misma de aire procedente de las
alcantarillas. La salida del aire del cárcamo de bombeo debe situarse próxima a la
entrada de la alcantarilla.
En cárcamos pequeños sin personal permanente, es normal disponer de un sistema
de ventilación intermitente. En cárcamos grandes o en los que existan rejillas de
limpieza automática u otros equipos de costo elevado, es conveniente que la
ventilación sea continua para evitar atmósferas húmedas corrosivas que suelen
producirse en las cámaras húmedas dotadas de ventilación intermitente. Se
recomienda, y gran número de organismos así lo exigen en la actualidad, que el
caudal de aire de ventilación a suministrar al cárcamo de bombeo basado en el
volumen existente por debajo del terreno y por encima del nivel mínimo de líquido en
la cámara, sea tal que produzca 1) un mínimo de 30 cambios por hora si el ventilador
no funciona en continuo y 2) un mínimo de 12 cambios por hora si el funcionamiento
es continuo. La cifra de 30 cambios por hora para funcionamiento intermitente es
necesaria por razones de seguridad. Este caudal de aire produce un rápido arrastre o
la dilución de los gases y aire contaminados acumulados en el cárcamo.
Cuando el cárcamo tenga un sistema de ventilación intermitente es conveniente
equipar al ventilador con un motor de dos velocidades, de manera que sea posible
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funcionar en continuo a baja velocidad, utilizando la alta únicamente cuando se visite
el cárcamo. En zonas urbanizadas, esta modalidad de funcionamiento puede
producir una dilución suficiente de los malos olores, de forma que cuando se ponga
en marcha el ventilador a velocidad alta no se produzca una descarga masiva de
aquellos. El interruptor de maniobra del ventilador debe colocarse junto a la puerta de
acceso. Como precaución adicional, el ventilador puede estar interconectado con el
interruptor de la luz.
Es posible que se requiera una capacidad adicional de ventilación para eliminar el
calor generado por los motores de las bombas y los equipos eléctricos,
especialmente cuando los motores son de velocidad variable. En ciertos casos,
dependiendo del tipo de transmisión utilizado, puede pensarse en aprovechar ese
calor para la calefacción. En cualquier caso, el sistema de ventilación ha de tener un
control automático para procurar una refrigeración adecuada cuando la temperatura
ambiente se eleve por encima de niveles inaceptables (20 A 30 ºC).
4.8 SUMINISTRO DE AGUA MUNICIPAL (POTABLE)
Es recomendable que todos los cárcamos de bombeo cuenten con suministro de
agua potable. Esta es utilizada para el aseo y como agua de soporte a aquellas
bombas que incluyen juntas hidráulicas. Como mínimo, se recomienda instalar un
baño con un pequeño calentador de agua para el aseo de los operadores. Asimismo,
deben instalarse tomas de agua para mangueras, tanto en la cámara húmeda como
en la seca, para la limpieza de los suelos, así como aspersores para el riego del
césped y árboles.
Cuando las normas de edificación lo permitan y la presión del agua sea suficiente, es
posible utilizar un único suministro de agua a partir de la red de distribución urbana,
el cual, mediante un sistema de control de retorno del agua, permita su empleo en
todos los usos comentados. El sistema de control consiste en dos válvulas
reductoras de presión colocadas en serie, entre las que se intercala una válvula de
seguridad de sobrepresión. Cuando la presión intermedia se aproxima a la del agua
potable, se abre la válvula de seguridad evitando la entrada de agua contaminada a
la red de abastecimiento.
Si no es posible utilizar un dispositivo antiretorno como el indicado, el agua para las
juntas hidráulicas puede suministrarse por medio de un tanque de almacenamiento y
dos bombas. El agua potable entra en el tanque a través de un dispositivo de rotura
de carga para evitar la posibilidad de contaminación y el nivel en el tanque se
controla mediante una válvula de flotador. La succión de las bombas de aporte de
agua se hace directamente desde el tanque. Las bombas suelen ser centrífugas o
tipo turbina, dependiendo del caudal y presión requeridos. Se recomienda instalar
dos bombas, una en reserva, por razones de seguridad de funcionamiento.
En los cárcamos con personal permanente es necesario disponer de cuarto de baño,
lo cual es también deseable en las que no tienen personal fijo. El cuarto de baño
50
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debe situarse a nivel del terreno, de manera que pueda descargar directamente al
cárcamo de bombeo.
4.9 DRENAJE DE LOS CÁRCAMOS DE BOMBEO
El drenaje del suelo se lleva a cabo desde el sumidero de la cámara seca por
bombeo, mediante bombas de funcionamiento automático, a el cárcamo de bombeo.
Es conveniente instalar dos bombas por razones de seguridad de funcionamiento. El
control de las mismas incluye una alarma de nivel máximo situado entre los puntos
de arranque de la bomba principal y la de reserva que alerte el fallo de la primera.
Se recomienda especialmente que las bombas del registro sean del tipo inatascable
y no bombas normales de drenaje, ya que es muy frecuente la extracción de bolas de
trapos acumulados en las bombas y su envío al drenaje. La descarga de las bombas
debe incorporar dos válvulas de retención (check) colocadas en serie y debe verter a
el cárcamo de bombeo por encima del máximo nivel previsto en el mismo. Ello se
hace así para minimizar la posibilidad de inundación de la cámara seca por inversión
del flujo desde la succión.
4.10 RECOMENDACIONES GENERALES
En relación con la construcción de los cárcamos de bombeo se sugieren las
siguientes recomendaciones:
El edificio de bombas deberá instalarse fuera de la zona de avenidas extraordinarias
o debidamente protegido, para evitar la entrada del agua en el mismo.
• Se dispondrá, en la entrada a la cámara de toma, una rejilla que retenga las
impurezas gruesas en función de la tubería de succión y capacidad de la bomba,
así mismo se deberá instalar un desarenador para retener los sólidos pesados
como el caso de arenas que se arrastran en las aguas pluviales.
• Los conductos de succión, construidos generalmente en fundición o en acero,
estarán provistos de la correspondiente válvula de pie y accesorios necesarios
para acomodar su sección al orificio de la bomba.
• El edificio destinado a proteger las bombas, deberá ser de fácil acceso, bien
iluminado, bien aireado y con espacio suficiente de modo que se pueda circular
libremente alrededor de los equipos. Se construirá, siempre que la variación de el
nivel freático lo permita.
• Se tendrán en cuenta, tanto en el estudio como en la obra, los cimientos y al
terreno, para evitar las posibles consecuencias debidas a las vibraciones de las
máquinas.
• Si el caudal es pequeño y los equipos de poco volumen, éstos podrán ubicarse
en pozos de registro sobre el colector.
• Las centrales enterradas serán impermeables y sus paredes interiores y pisos
lisos y lavables. Las canaletas que en el suelo sirvan de paso a las líneas
eléctricas o tuberías, se cubrirán con rejillas de celdas de aluminio.
51
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•
•
•
Las puertas serán de amplitud suficiente para dar paso a las piezas o equipo de
mayor tamaño. En caso contrario se preverán salidas especiales.
Se instalarán grúas-viajeras para el manejo de las piezas, en las instalaciones
cuya importancia así lo requieran.
En los cárcamos de bombeo secos, con excepción de los más pequeños, se
debe instalar escaleras de acceso, construidas de acero galvanizado o aluminio
de rigidez suficiente. Las escaleras de mano solamente se instalan cuando lo
permita las especificaciones vigentes y no sea posible construir una escalera
convencional. No deben utilizarse escaleras verticales ni circulares.
Para evitar la corrosión es necesario emplear metales con bajo potencial, como el
cromo. La oxidación de equipos de acero al carbono no se produce en el aire cuando
su humedad relativa es inferior al 60% y 50% en atmósfera salina. Con agua y
presencia de oxígeno la oxidación es continua. Para aguas normales el acero
inoxidable es suficientemente resistente, pero no con aguas de mar, que por el
contenido de cloruros ataca a los aceros inoxidables normales al cromo.
52
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5 EQUIPO DE BOMBEO
5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS
Las bombas se clasifican en dos grupos básicos: las de energía cinética y las de
desplazamiento positivo. En el diagrama de la Figura 5.1 se indican las
correspondientes a cada grupo. Las de uso más extendido en el campo de ingeniería
sanitaria son las centrífugas que están clasificadas como bombas de energía
cinética. A menudo las bombas centrífugas se clasifican de acuerdo con un valor
conocido como velocidad específica, el cual varía según la forma del impulsor.
5.1.1 Bombas centrífugas
Las bombas centrífugas se clasifican en: (1) de flujo radial, (2) de flujo mixto y (3) de
flujo axial. Por lo regular, las dos primeras se emplean para el agua residual y pluvial,
en tanto que las de flujo axial, sirven para el bombeo de aguas pluviales con o sin
agua residual o efluentes de plantas de tratamiento. A continuación se da un mayor
detalle de cada una.
5.1.1.1. Bombas de flujo radial
En estas bombas se emplea la fuerza centrífuga para impartir energía al fluido, por
ello en ocasiones se les denomina centrífugas, porque forman un remolino con flujo
que sale en forma radial. Para el agua residual se deben emplear diámetros de paso
superiores a 10.2 cm (4 pulgadas). Las bombas de flujo radial tienen velocidades
específicas variables entre 10 y 80. Los principales componentes de una bomba de
flujo radial se muestran en la Figura 5.2.
5.1.1.2. Bombas de flujo mixto
Ocupan un lugar intermedio entre las bombas de flujo radial y de flujo axial donde se
forma un vortex en un flujo axial. La velocidad específica (un número característico
de cada bomba) varía entre 80 y 200.
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Flujo radial
Flujo mixto
Aspiración simple
Aspiración doble
Flujo axial
Aspiración simple
Periféricas
Monocelulares
Multicelulares
Autocebante
No autocebante
Especiales
De chorro
(eyector de
alta presión)
Ariete hidráulico
Electromagnéticas
Monocelulares
Multicelulares
Rodete abierto
Rodete semiabierto
Rodete cerrado
Monocelulares
Multicelulares
Rodete abierto
Rodete cerrado
De doble efecto
Simplex
Multiplex
Vapor
De simple efecto
De doble efecto
Simplex
Duplex
Triplex
Multiplex
Energía eléctrica
Centrífugas
Cinéticas
Bombas
De pistón
Alternativas
Desplazamiento
positivo
Autocebante
No autocebante
Simplex
Multiplex
De diafragma
De inyector
De un solo rotor
De
De
De
De
paletas
pistón
órgano elástico
tornillo
Rotativas
De rotor múltiple
De engranajes
De pistones
circunferenciales
De tornillo
Fig 5.1
Figura 5.1 Diagrama de la clasificación de las bombas
54
Accionam.
por fluido
Accionam.
Mecánico
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.2 Impulsores típicos utilizados en bombas centrífugas, a) cerrado de
succión simple; b) cerrado de succión doble, tipo Francis; c) abierto de flujo
mixto; d) de flujo axial (hélice)
Los impulsores de flujo mixto pueden ser instalados en fundas de voluta, en cuyo
caso se denominan bombas de flujo mixto tipo voluta, o dentro de difusores similares
a las bombas de propela, y se llaman entonces bombas de flujo mixto con propela.
Las bombas de voluta de flujo mixto son adecuadas para bombear agua residual y
pluvial, particularmente cuando tienen una velocidad específica entre 80 y 120. Están
disponibles en tamaños de 20.3 cm (8 plg) de diámetro y mayores y pueden operar
con cargas de hasta 18 m.
5.1.1.3. Bombas de flujo axial
Las bombas de flujo axial se emplean para agua pluvial, particularmente cuando se
requiere bombear grandes volúmenes contra una pequeña carga donde este tipo de
bombas resulta menos caro que las de flujo mixto o radial. Sin embargo, este tipo de
bombas es usado para aguas residuales que sean sometidas a un desbaste previo
pues se puede atascar la guía de las aspas y, a la larga, taponar el paso. Estas
bombas tienen velocidades específicas superiores a 200.
55
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5.1.2 Bombas de desplazamiento positivo
La bomba de tornillo, clasificada como de desplazamiento positivo, tiene dos ventajas
principales en relación con las bombas centrífugas para las aguas residuales: 1)
maneja sólidos de mayor tamaño sin atascarse y 2) funciona a velocidad constante
para una amplia gama de caudales con rendimientos relativamente buenos.
Se encuentran diámetros exteriores de 0.3 a 3 m y capacidades desde 0.01 a 3.2
m3/s, aunque algunos fabricantes suministran tamaños superiores. La capacidad de
la bomba depende de la altura del líquido en el extremo inferior del tornillo, cuanto
más bajo sea el nivel, menor es la capacidad. El ángulo de inclinación está
estandarizado entre 30 a 38º. La altura total del bombeo se limita a unos 9 m.
Una desventaja de las bombas de tornillo es que ocupan un amplio espacio.
Normalmente, las bombas son accionadas por motores de velocidad constante con
reductores a la salida de 30 a 50 rpm. El rendimiento normal es del 85% a la
capacidad máxima y del 65% al 25% de capacidad.
Chapa hilicoidal
Nivel del agua efluente
Nivel de descarga
del tornillo
Nivel del agua
afluente
α
Hgeom
Nivel de toma
de tornillo
Figura 5.3 Bomba de tornillo típica
5.1.3 Bombas especiales
Las bombas especiales para tener aplicaciones diversas incluyen a los eyectores
neumáticos, las bombas con flujo de torque, las bombas sin hélices, y las bombas de
chorro o de emulsión de aire.
56
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5.1.3.1. Eyectores neumáticos
Cuando la cantidad de agua residual es pequeña, así como su incremento futuro, se
emplean los eyectores neumáticos debido a que no se atascan. En la Figura 5.4 se
muestra uno de ellos junto con el equipo asociado.
Los eyectores neumáticos se encuentran disponibles en capacidades que van de 1 a
38 L/s en operación simple, sin embargo, es preferible usarlos desde el punto de
vista económico hasta para gastos de 20 L/s. Generalmente operan en ciclos de 1
min, con periodos de llenado y descarga de 30 segundos.
Válvula de
solenoide
Abertura a la
atmósfera
Filtro
Presostatos
Filtro
de aire
Panel de
control
Válvula de
seguridad
Tanque de
almacenamiento
de aire
Válvula de
retención
Compresor
de aire
Válvula de
diafragma (3 vías)
Conducto
para aire
Purga de
goteo
Descarga
T de entrada
Control
de nivel
Depósito de
fundición receptor de
aguas residuales
Válvula de
compuerta
Válvula de
retención
Válvula de
retención
Fig 5.4
Figura 5.4 Eyector neumático y conjunto asociado
57
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5.1.3.2. Bombas con flujo de torque
Estas bombas están diseñadas para manejar material sólido, por lo cual se emplean
para manejar lodos y aguas negras crudas pues prácticamente nunca se taponan.
Como contrapartida su costo es elevado y la eficiencia baja.
5.1.3.3. Bombas sin alabes
Son bombas centrífugas de voluta que cuentan con un impulsor sin aspas o de paso
simple. Las curvas características de una bomba de este tipo son comparables a las
de una bomba convencional no atascable como la de la Figura 5.5, su capacidad
aproximadamente es la mitad de la de una bomba no convencional inatascable, por
lo que son particularmente útiles para flujos pequeños. Se encuentran en tamaños
superiores a 12.7 cm (5 plg).
Boquilla de descarga
Difusor
Rodete
Valuta
a) Voluta
b) Dufusor
Fig 5.5
Figura 5.5 Carcasas de bombas centrífugas
5.1.3.4. Bombas con emulsión de aire y de chorro
Este tipo de bombas no tiene partes móviles, y por lo tanto, es prácticamente
inatascable. La bomba de emulsión está limitada por la presión del aire comprimido,
alcanzándose alturas del orden de 1 a 1.5 m. Ocasionalmente se usan en plantas de
tratamiento de agua residual en ciertas actividades tales como el cebado de bombas
centrífugas o de sumidero.
58
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5.2 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
Las condiciones de operación dependen del tamaño, la velocidad y tipo de diseño de
las bombas. Su operación se describe mediante curvas que muestran la carga total
de bombeo H, la eficiencia en por ciento y la potencia requerida en HP contra el
caudal. La forma de las curvas varía en función de la velocidad específica. Algunas
curvas características para bombas clásicas de flujo radial, de voluta con flujo mixto,
de propulsión con flujo mixto, y centrífugas con flujo axial se muestran en la Figura
5.6. En éstas, las variables han sido graficadas como por ciento del valor al punto
máximo de eficiencia. Adicionalmente, las características operativas de varios tipos
de bombas han sido resumidas en la Tabla 5.1.
ab
so
rbid
a
100
Alt
ura
ida
100
to
Re
nd
im
ien
to
0
150
Altura
Bomba de hélice
de flujo axial
NS=250
200
rb
so
ab
0
Bomba de hélice
de flujo mixto
NS=125
200
150
Altu
ra
100 Potencia absorbida
50
250
cia
150
100 130
250
en
Pot
50
0
300
Bomba de tipo voluta
de flujo mixto
NS=85
50
100 130
50
0
50
0
50
100 130
0
Re
nd
im
ien
0
Bomba de
flujo radial
NS=35
300
to
50
to
ien
im
d
cia
en
ten bida
o
P sor
ab
Re
nd
im
ien
R
100
c ia
ten
Po
Altura de elevación, potencia absorbida y
rendimiento en tanto por ciento sobre los valores
correspondientes al punto de máximo rendimiento
Altura
0
50
100 130
Porcentaje del caudal bombeado en un punto de máximo rendimiento
Fig 5.6
Figura 5.6 Curvas características típicas de bombas centrífugas
59
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Tabla 5.1 Características de funcionamiento de diversos tipos de bombas de
aguas residuales
Tipo de bomba
Centrifuga
Desplazamiento positivo
Característica
Flujo
Flujo mixto Flujo axial
Rotatorio
Pistón
radial
Relativamente
Caudal
Uniforme
Uniforme
Uniforme
Pulsante
uniforme
Efecto de aumentar la carga:
En la capacidad
Disminuye
Despreciable
Ligero
decremento
En el consumo
Incremento
Disminuye
a un
Incrementa
energético
notable
importante
aumento
Efecto de disminuir la carga:
En la capacidad
Incrementa
Despreciable
Ligero
En la energía
aumento a
Aumenta
Disminuye
Disminuye
consumida
un
decremento
Efecto de cerrar la válvula:
Hasta
Aumento
Aumento
En la presión
30% de
muy
No aplica
considerable
aumento
importante
10 % de
Disminuye decremento, Incremento
En la demanda de
en un 50 a hasta 80% en un 80 a
No aplica
energía
60%
de
150%
incremento
Fuente: Metcalf and Eddy, 1985.
•
•
las pérdidas por fricción se incrementan conforme aumenta la presión
diferencial
* Válvulas aisladores y check se colocan en tubos separados de las bombas.
No se requieren para mantener la acción de bombeo.
Para bombas de flujo radial, se puede demostrar teóricamente que la descarga Q, la
carga H y la potencia P para un punto en particular de operación de la curva se
relaciona con una velocidad N en rpm de la forma siguiente:
Q varía con N
H varía con N2
P varía con N3
60
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Las relaciones anteriores se conocen como leyes de afinidad y se emplean para
conocer el efecto del cambio en la velocidad sobre la descarga, la carga y la energía.
Leyes similares aplican al cambio del diámetro del impulsor pero son menos
confiables. En la práctica, el cambio en el nuevo punto de operación, que ocurre
como resultado del cambio en la velocidad, estará dado por la intersección del
sistema en la curva y una nueva curva de carga contra gasto.
La siguiente ecuación sirve para definir la velocidad específica:
Ns =
donde:
Ns:
N:
Q:
H:
N Q
H 3/ 4
(5.1)
Velocidad específica
Velocidad, rpm
Gasto, m3/s
Carga, m
Para una bomba determinada a velocidad dada, Q y H específica, se consideran en
el punto de máxima eficiencia. Cuando la ecuación 5.1 se aplica para bombas con
impulsores de doble succión, se emplea la mitad de la descarga, a menos que se
indique lo contrario. Para bombas de varias etapas, la carga corresponde a la de
cada etapa.
En realidad, el valor calculado para la velocidad específica no tiene significado físico,
pero es muy útil pues es igual en bombas semejantes y no cambia con la velocidad
para una misma bomba. Debido a que la velocidad específica para una misma
bomba es independiente tanto del tamaño como de la velocidad, depende sólo de la
forma por lo que en ocasiones es considerado como un factor de forma. La Figura
5.7 muestra la variación de la eficiencia máxima esperada conforme varía el tamaño
(capacidad) y el diseño (velocidad específica). En la parte baja de la Figura se
muestra cómo varía la forma del impulsor a medida que varía la velocidad específica.
61
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Rendimiento, en %
100
Por e
ncim
a de
90
80
0.0063 m 3
/s
0.031 3
m /s
0.190 3
m /s
0.63 3
m /s
0.63
m 3/s
0.012 m3/s
70
3 /s
6m
0.00
60
50
40
10
20
40
60
80 100
150 200
Velocidad específica, en Ns =
Radial
Radial
Francis
tipo de rodete
Flujo mixto
300
N 0
H
3/4
Hélice
Fig 5.7
Figura 5.7 Rendimiento de la bomba respecto a la velocidad específica y al
tamaño de la bomba
Las características de diseño de las bombas, los parámetros de cavitación y la
operación anormal en las condiciones de transición pueden ser correlacionadas con
la velocidad específica.
Si se analiza la ecuación de la velocidad específica se encuentra lo siguiente:
A:
Se debe disminuir la velocidad de operación si se seleccionan equipos
mayores para cargas semejantes.
B:
Si se seleccionan unidades con velocidad específica más elevadas, para la
misma carga y capacidad, éstas operarán a una mayor velocidad y en
consecuencia todo el equipo, incluyendo la motobomba será más barata.
62
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5.3 CONSTRUCCIÓN DE LAS BOMBAS
Las bombas para aguas residuales se fabrican en aleaciones de fierro colado con
bronce o de acero inoxidable con impulsores de fierro colado o de bronce. Cuando el
agua residual contiene arena, los impulsores más duraderos son los de fierro colado.
Las bombas de tamaño mayor de 25.4 cm (10 plg.) capacidad son suministradas
normalmente con anillos de bronce y solo es pedido de acero inoxidable en el lado
de la succión. Las bombas menores vienen con o sin anillos.
Los soportes verticales para los bombas de cámara húmeda son del tipo de
antifricción y lubricados a partir de collares y se colocan en el eje principal arriba del
impulsor.
5.3.1 Corrosión y duración de vida de las bombas
Los metales más adecuados para fabricar bombas se resumen en la siguiente Tabla
5.2.
Tabla 5.2 Corrosión en bombas
Tipo de corrosión
POR PICADO
(Debido a cloruros y
halógenos)
Material
Bronce sin zinc
Bronce con aluminio
Titanio fundiciones inoxidable
C.30(29% Cr), C.30E (29% Cr y 2%
Mb)
Acero 453 S
Aceros inoxidables al cromo y
molibdeno
Aceros inoxidables al carbono y
silicio
Cloruros
Bajo tensión
Cloruro de polivinilo
Acero al cromo níquel
Austeníticos 18/8 y 18/12/12.5
Aceros austeno-ferríticos
Protección por deposición química
de níquel, siempre que el contenido
sea superior al 50%
Características
Resisten mal
Resiste los cloruros y
compuestos clorados con pH
>1
Temperatura máxima 60ºC
Aparecen fisuras
Polietileno
BACTERIANA
(Acción en presencia de
aire, agua y hierro)
Ácidos orgánicos o
minerales
Medios sulfúricos
Ácidos en general
Temperatura máxima 100 ºC
Limpieza frecuente con
productos bactericidas
MONEL
URANUS 86
Polietileno
Teflón
Fuente: Hernández A. 1996.
63
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(Ácido fosfórico)
Temperatura máxima 100 ºC
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La universidad de Queensland, Australia, ha propuesto tres índices de corrosión que
permiten determinar la duración de la vida de una bomba, denominando:
•
•
•
Buena, cuando la vida útil de los componentes supere los 12 años.
Dudosa, posible corrosión. Se recomienda inspecciones frecuentes.
Peligrosa. La vida de los componentes será inferior a 12 años.
Tabla 5.3 Duración y corrosión
Indicador de corrosión
pH
Índice de saturación de
Langelier
Log (Cl-/CO3=)
pH
Bomba con
Índice de saturación de
cuerpo y rotor de
Langelier
bronce
Log (Cl-/CO3=)
Fuente: Hernández A. 1996.
Bomba con
cuerpo de
fundición y
impulsor de
bronce
Buena
7.5 a 8.5
Dudosa
6.5 a 7.5
Peligrosa
4.0 a 6.5
0 a +2
-2 a 0
-7 a –2
0a2
7.5 a 8.5
2 a 3.5
5 a 7.5
3.5 a 9
4a5
0 a +2
-5 a 0
-7 a –5
0 a 2.5
2.5 a 6
6a9
5.4 ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS
Los sistemas más comunes para accionar las bombas son los motores eléctricos de
corriente directa. En ocasiones se instalan bombas accionadas por motores de
combustión interna para asegurar el funcionamiento en caso de que los motores
eléctricos fallen, esto es posible cuando pueda emplearse gas de digestión como
combustible.
5.4.1 Motores eléctricos
Las bombas de velocidad constante pueden ser operadas por motores de inducción
de jaula de ardilla de rotor devanado o por motores síncronos. Los primeros se
prefieren por su simplicidad, confiabilidad y economía, aunque se debe tener
presente que los motores síncronos pueden resultar más económicos para grandes
potencias y baja velocidad. Para accionamiento a velocidad constante, los motores
de rotor devanado no se usan pero aplican a casos especiales en donde hay baja
irrupción de la corriente de arranque, o se usa en un sistema alimentado por un
grupo electrógeno (produce electricidad).
La velocidad de un motor eléctrico viene dada por la ecuación
Velocidad síncrona, rpm =
120 x frecuencia
número de polos
(5.2)
Los motores síncronos funcionan a la velocidad dada por esta ecuación pero la
velocidad de los de inducción de jaula de ardilla y los de rotor devanado es 2 a 3%
menor debido a la fricción.
64
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5.4.1.1. Accionamiento a velocidad constante y variable
La elección entre dos bombas que funcionen a velocidades diferentes debe recaer en
la de menor velocidad para el agua residual a fin de reducir el desgaste de la bomba
por arenas.
Las velocidades típicas de las bombas accionadas por motores de velocidad
constante funcionando con corriente alterna de 60 hz se indican en la Tabla 5.4.
Dependiendo del diseño del motor o de las necesidades de la carga de torsión,
puede producirse alguna variación de la velocidad máxima en los motores de
inducción.
En bombas para aguas residuales no se utilizan velocidades superiores a 1,770 rpm,
las cuales sólo se emplean en sistemas con alturas muy grandes que requieren altas
velocidades.
El funcionamiento a diversas velocidades se consigue utilizando motores de jaula de
ardilla o de rotor devanado. En los primeros, la elección se limita a las velocidades
indicadas en la Tabla 5.4. Si la velocidad menor de un motor de dos velocidades es
la mitad de la mayor, puede utilizarse un motor de bobinado simple, pero cuando no
es así, se precisa un motor de bobinado doble.
Cuando una bomba funciona a dos velocidades constantes, conviene un motor de
jaula de ardilla (o motor síncrono) ya que puede trabajar a su máximo rendimiento en
ambos casos, mientras que la de rotor devanado solamente funciona a su máximo
rendimiento a la velocidad mayor y cuando trabaja a velocidades inferiores el
rendimiento se reduce considerablemente.
65
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Tabla 5.4 Velocidades de funcionamiento de los motores de velocidad
constante con corriente alterna de 60 Hz
Velocidad del motor, rpm
Polos
Síncronos
Inducción
2
a
3550
4
1,800
1770
6
1,200
1170
8
900
870
10
720
705
12
600
585
14
514
500
16
450
435
18
400
390
20
350
350
22
327
318
24
300
290
26
277
268
28
257
249
a = No aplicable
Fuente: Metcalf and Eddy, 1985.
5.4.1.2. Accionamiento a velocidad variable
Cuando las condiciones de funcionamiento de un cárcamo son muy variables
conviene emplear bombas de velocidad variable. Ello se logra mediante el uso de
resistores líquidos para los controles de los motores de rotor devanado, de
accionamiento magnético (corrientes parásitas) o acoplamientos fluidos.
Recientemente, se utilizan también acoplamientos por cizalladura viscosa. Todos
estos sistemas detienen en común las pérdidas por fricción que se convierten en
calor, y disminuye el rendimiento.
Las pérdidas por fricción se calculan mediante:
⎛ s ⎞
Pérdida por fricción, % = car ga kW ⎜
⎟ 100
⎝1− s ⎠
(5.3)
velocidad máxima − c arg a de velocidad
velocidad máxima
(5.4)
donde
s=
La eficiencia del accionamiento, a su vez se obtiene con
rendimiento del accionamiento, % =
66
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potencia útil
100
potencia absorbida
(5.5)
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por lo que el rendimiento global es
rendimiento global del accionamiento, % = rendimiento del motor x
1− s
1
(5.6)
Las pérdidas por fricción alcanzan su valor máximo (33% de la energía necesaria o
para cargas de par variable, alrededor del 15% de la energía máxima necesaria)
cuando la bomba funciona a dos tercios de su velocidad.
El desarrollo reciente de controles electrónicos de estado sólido ha conducido a la
introducción de nuevos métodos de control de la velocidad variable, tanto para
motores de jaula de ardilla como para las de rotor devanado. Estos accionamientos
limitan de forma efectiva la corriente de irrupción y permiten un arranque suave del
motor. Existen cuatro tipos:
a) Voltaje variable. La reducción del voltaje primario de alimentación de un motor
de inducción de jaula de ardilla de diseño especial y alta fricción por medio de
reactores saturables o rectificadores controlados de silicio, proporciona el
control de la velocidad variable. Sin embargo, este tipo de control no tiene
buen rendimiento y las pérdidas son eliminadas en forma de calor generado
en el motor, lo cual hace que este funcione con una temperatura elevada. En
consecuencia, su uso no es recomendable para servicios municipales.
b) Motor de rotor devanado; control de estado sólido. La inclusión de reactores
de núcleo saturable, así como de resistores en el circuito secundario de un
motor de rotor devanado y el control mediante rectificadores controlados de
silicio permite conseguir un control continuo de la velocidad sin tener que
recurrir al uso de los tanques, tuberías e intercambiadores de calor que
requieren los resistores líquidos. Las pérdidas por fricción descritas en (A) se
siguen produciendo. Este tipo de accionamiento ha sido instalado en muchas
bombas de agua residual.
c) Accionamiento de frecuencia variable. Un accionamiento de velocidad variable
tiene un elevado rendimiento cuando se varía la frecuencia de la corriente de
alimentación en un motor de jaula de ardilla. La corriente alterna es rectificada
a continua y reconvertida en alterna a la frecuencia requerida para producir la
velocidad deseada. Es posible conseguir un intervalo de velocidades de 1 a 3
y se han constatado rendimientos del 95% del normal del motor. Estos
accionamientos se encuentran normalmente, en capacidades de hasta 185
kW y pueden ser incluso mayores en unidades especialmente diseñadas.
d) Motor de rotor devanado, control por regeneración del secundario. En estos la
energía del circuito secundario es rectificada a corriente continua por medio de
componentes de estado sólido, de nuevo estos transforman en corriente
alterna del mismo voltaje y frecuencia que la del suministro de energía, la cual
alimenta el primario del motor. Este tipo de accionamiento se aplica para
motores mayores de 20 kW.
67
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El accionamiento por variación de la frecuencia y el motor de rotor devanado con
control por regeneración del secundario son más eficientes que el resto de
accionamientos de velocidad variable porque las pérdidas por fricción son eliminadas
o recuperadas en forma de trabajo útil, sin embargo su costo es superior a la de los
otros tipos pero a medida que aumente el precio de la energía serán más rentables.
En general, los accionamientos de velocidad variable son más caros que los motores
de velocidad constante, además de que tienen un peor rendimiento y requieren
mayor mantenimiento.
5.4.2 Motores de combustión interna
En cárcamos de bombeo de gran capacidad se emplean motores de combustión
interna como fuente de energía de reserva para accionar las bombas apoyados con
controles eléctricos críticos en el caso de fallo del suministro de energía. En algunos
casos, se utilizan estos motores para accionar bombas ubicadas en lugares muy
apartados en donde no se dispone de suministro eléctrico o es poco confiable y en
plantas de tratamiento en donde se dispone de gas de digestión como combustible.
Usualmente, los motores de combustión interna suministran energía no sólo a las
bombas, sino también a los equipos auxiliares y sistema de control. Para esta
utilización se emplean motores diesel o de encendido por bujías, alimentados con
gas natural o propano. El uso de gasolina no está extendido por los problemas
derivados del almacenamiento del combustible.
5.4.2.1. Motores duales
Los motores diesel duales consumen una mezcla de gasóleo y gas. La relación entre
ambos es variable pero se requiere un mínimo de 10% de gasóleo para producir la
ignición. Pueden alimentarse directamente con gas de digestión. Estos motores
suelen suministrarse con doble carburador y doble alimentación de combustible, por
ejemplo gas natural o propano, para mantenerlos en funcionamiento cuando no
exista gas de digestión disponible.
5.4.2.2. Accionamiento directo y con mecanismo de transmisión
Aunque las bombas horizontales pueden estar acopladas directamente a los
motores, en general, son accionadas a través de un mecanismo de transmisión que
permite que tanto la bomba como el motor funcionen a su velocidad óptima. El
sistema más común consiste en un motor horizontal que acciona una bomba vertical
mediante un mecanismo de transmisión en ángulo recto.
Para los motores de combustión interna, se instala una caja de engranajes
combinados con un motor eléctrico montado en la parte superior del mecanismo de
transmisión en ángulo recto que se acopla directamente al eje de la bomba. Cuando
el motor acciona la bomba se emplea un embrague o acoplamiento de desconexión
para desenganchar el mecanismo de transmisión en ángulo recto. Cuando el motor
68
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de combustión es el que acciona la bomba se embraga manualmente y el motor
eléctrico acoplado al eje de la bomba gira libremente. Si se quiere que el
accionamiento funcione automáticamente se necesita un embrague en el eje entre el
motor de combustión interna y el accionamiento en ángulo recto, de manera que el
eje de aquél no gire cuando la bomba sea accionada por el motor eléctrico.
5.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA
La potencia absorbida por la máquina se calculará mediante la fórmula:
Pa = c
donde
W:
Q:
H:
η:
Pa:
c:
c:
W ×Q× H
75η
(5.7)
Peso específico del líquido (Kg/dm3)
Caudal a elevar en L/s
Altura manométrica en metros
Rendimiento en porcentaje
Potencia absorbida, (C.V.)
1.25 coeficiente si se trata de aguas negras
1.00 coeficiente en otros casos de impulsión de agua
5.6 SELECCIÓN DE BOMBAS
Debe recordarse que las bombas que se usan serán las disponibles a nivel
comercial, y en ese sentido se seleccionan aquellas que mejor se acomode a las
circunstancias particulares de la obra.
La elección y justificación del tipo de bomba se hace escogiendo en las condiciones
normales de marcha y el mejor rendimiento posible, que proporcionen el caudal y la
altura manométrica deseada.
Para seleccionar los equipos de un cárcamo de bombeo los factores a tener en
cuenta incluyen:
a)
b)
c)
d)
Caudal de proyecto e intervalo de los mismos
Ubicación de cárcamo de bombeo
Diseño de la tubería de impulsión y
Características de las curvas de caudal-altura de las bombas.
Una vez que se hayan evaluado correctamente estos factores, puede procederse a la
selección del número y capacidad de las bombas, el tipo de accionamiento y el
tamaño óptimo de la tubería de impulsión.
Normalmente, el primer paso consiste en definir las características del sistemapresión, encontrar una bomba o conjunto de ellas que manejen el flujo. Esto se hace
al graficar la curva del sistema presión en una hoja con las curvas características de
69
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bombeo. El punto de operación es aquel donde se intersectan la curva del sistema
presión y la curva de la capacidad de bombeo-presión. Se obtiene así la presión y el
flujo al cual se operará el sistema de bombeo. La bomba debe seleccionarse de tal
forma que el punto de operación sea tan cercano como sea posible a su máxima
eficiencia. Este procedimiento se muestra en la Figura 5.8.
Carga
Carga
C
DE = EF
AB = BC
Dos bombas
Dos bombas
AB = BC
F
A
D
Carga del sistema
B
Carga del sistema
B
C
E
F
DE = EF
Una bomba
E
Una bomba
Q1
Nota: Q1+ Q2
Q2
A
D
Descarga
Descarga
(a)
(b)
Figura 5.8 Curvas características para operaciones de bombeo en a) serie y b)
paralelo
Las bombas pueden conectarse en serie o en paralelo. Para series de operación a
una capacidad dada, la presión total es igual a la suma de las presiones adicionadas
por cada bomba. Para la operación en paralelo, la descarga total se multiplica por el
número de bombas para una presión dada. Es de notar, sin embargo, que cuando se
usan dos bombas en serie o en paralelo, ni la presión ni la capacidad para una curva
de presión de sistema se dobla.
Las velocidades específicas (ns) de los diferentes tipos de bomba estarán
comprendidas en los siguientes límites:
70
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0 < ns ≤ 40 rpm
40 < ns ≤ 140 rpm
140 < ns ≤ 300 rpm
300 < ns ≤ 600 rpm
600 < ns ≤ 1500 rpm
Bomba de émbolo
Bomba centrífuga lenta
Bomba centrífuga rápida
Bomba helicoidal
Bomba turbo-hélice
Cuando ns sobrepase las 1,500 rpm, deberá reducirse la velocidad de la bomba
prevista de antemano y dividir el caudal en dos o más bombas. Siendo:
ns =
donde:
ns :
n:
Q:
H:
n × Q1 / 2
H 3/ 4
(5.8)
Velocidad específica rpm
Velocidad, rpm
Caudal, m3/s, en el punto de máximo rendimiento.
Altura, m, es el punto de máximo rendimiento.
5.6.1 Determinación de los caudales
Antes de seleccionar el equipo de bombeo es absolutamente imprescindible
determinar los caudales por bombear.
Los caudales que intervienen son el máximo de proyecto, el medio inicial y de
proyecto y el mínimo inicial. Las bombas deben ser capaces de impulsar el caudal
máximo de proyecto, transportado por la red de alcantarillado pues si no habría
desbordamientos y en caso extremo inundaciones. Los caudales medio, mínimo y de
proyecto son importantes, y los equipos deben seleccionarse para funcionar lo más
eficientemente posible para los caudales medios. Los caudales iniciales mínimos
tienen importancia para el dimensionamiento de la tubería de impulsión, ya que los
sólidos que se depositen a bajas velocidades no deben producir obstrucciones. Los
caudales iniciales mínimos a bombear se calculan a partir de los medios iniciales y
pueden obtenerse, de forma aproximada, con los factores de la Tabla 5.5.
Los caudales correspondientes a la vida útil de los equipos, son los caudales de
proyecto y usualmente es de 20 años.
Tabla 5.5 Factores utilizados para la estimación del caudal mínimo
Factor de caudal mínimo
Caudal medio m3/s
0.05
0.25
0.5
0.35
2.5
0.45
5.0
0.50
Fuente: Metcalf and Eddy, 1985.
71
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Una vez determinados los caudales iniciales y de proyecto, la siguiente decisión
importante es si:
a) Instalar equipos de capacidad suficiente para bombear la totalidad del intervalo de
caudales inicial y de proyecto.
b) Prever la posibilidad de ampliar el cárcamo de bombeo cuando sea necesario en
el futuro.
La capacidad de un cárcamo de bombeo se puede incrementar instalando rotores y
bombas de mayor tamaño, añadiendo nuevas unidades o en algunos casos,
instalando motores de mayor capacidad y velocidad de giro.
5.6.2 Ubicación del cárcamo de bombeo
La ubicación del cárcamo de bombeo influye en el equipo por seleccionar,
fundamentalmente en el tipo de accionamiento.
En un cárcamo de gran tamaño en donde la totalidad o la mayor parte del caudal
deban ser impulsadas, las bombas deben proyectarse para funcionar de forma
continua, en la medida de lo posible. Los caudales bombeados varían así
gradualmente en pequeños incrementos, a medida que lo haga el agua residual del
infuente, de manera que se drene o alimente a la planta de tratamiento en forma
constante. Esta forma de funcionamiento exige que haya como mínimo una bomba.
Además de esta condición, debe poderse bombear el caudal máximo de proyecto.
Por razones de mantenimiento y reparaciones, el diseño del cárcamo debe bombear
este último caudal con la bomba de mayor capacidad fuera de servicio.
Cuando un cárcamo de bombeo de gran tamaño debe funcionar continuamente, se
suelen instalar bombas de velocidad variable, o bien una combinación de bombas de
velocidad variable constante. También es posible utilizar bombas de velocidad
constante o de dos velocidades, pero éstas producen cambios rápidos, aunque de
pequeña magnitud, en los caudales impulsados a la planta de tratamiento, los cuales
pueden afectar a los procesos de tratamiento.
Los cárcamos de bombeo que sirven a redes de alcantarillado combinado pueden
tener dos grupos de bombas: 1) un grupo para impulsar los caudales en tiempo seco
a la planta de tratamiento o al interceptor que los transporta al cárcamo y 2) un grupo
de bombas de mayor tamaño para impulsar las aguas residuales y pluviales, durante
los periodos de lluvia intensa, al sistema de evacuación de aguas pluviales. Las
bombas de este segundo grupo y su tubería de impulsión correspondiente, deben
tener capacidad suficiente para evitar la inundación de calles y sótanos. Muchos de
los cárcamos de bombeo de este tipo han sido construidos para servir a redes de
alcantarillado combinado y descargan al agua pluvial directamente a los cursos de
agua sin tratamiento previo.
72
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5.6.3 Tuberías de impulsión
Una tubería de impulsión es una tubería que recibe el agua residual descargada por
un cárcamo de bombeo y que debe transportarla a presión hasta el punto de
evacuación, el cual puede ser otra alcantarilla pero que funciona a gravedad, un
tanque de almacenamiento o una planta de tratamiento. Los aspectos más
importantes del dimensionamiento de una tubería de impulsión son la velocidad de
circulación y las pérdidas por fricción. La velocidad debe ser lo suficientemente alta
para transportar los sólidos por la tubería de impulsión a los caudales mínimos. Sin
embargo, las velocidades elevadas crean mayores pérdidas por fricción y aumentan
la altura manométrica total de las bombas. En general, se recomienda una velocidad
mínima de 0.6 m/s y aplicar una velocidad de 1.0 m/s para arrastrar aquellos sólidos
que hayan podido sedimentarse en la tubería por las circunstancias de operación.
5.6.4 Desarrollo de la curva altura-capacidad del sistema
Una vez determinados los caudales del sistema, definido el tamaño de la tubería de
impulsión y la altura geométrica, se obtiene la curva altura-capacidad del sistema.
Esta curva es necesaria para determinar la capacidad de las bombas. La curva
representa la altura de carga total que deben vencer las bombas funcionando a los
diversos caudales de proyecto. La curva del sistema es la representación gráfica de
la suma de la altura geométrica, las pérdidas por fricción y las pérdidas menores
totales del sistema respecto al caudal (Figura 5.9).
Además de su importancia para la determinación del tamaño de las bombas, la forma
de la curva del sistema sirve, a menudo, como guía para seleccionar el número de
bombas y el tipo de accionamiento. Por ejemplo, una bomba única de velocidad
variable (o de dos velocidades) es más adecuada para un sistema con una altura
geométrica pequeña y pérdidas por fricción elevadas. A baja velocidad, la carga de la
bomba se reduce en proporción al cuadrado de la reducción de la velocidad, pero la
altura del sistema se reduce, asimismo, en la misma proporción. Por lo tanto, si se
selecciona una bomba para que funcione en un punto próximo al de máximo
rendimiento a altas velocidades, funcionará cerca del máximo rendimiento a
velocidades bajas. En comparación, un sistema que tenga una altura geométrica
elevada y pocas pérdidas por fricción es más adecuado para el uso de varias
bombas que funcionen en paralelo para el caudal del proyecto. Una reducción
pequeña de la velocidad de la bomba reducirá la carga sobre la misma por debajo de
la altura geométrica del sistema.
73
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Altura, en m
25
Curva característica
de la bomba según
Fig 5.9 a
20
15
Curva del sistema
10
Pérdidas por
razonamiento
y localizadas
5
Altura
geométrica
total
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
3
Caudal, en m /s
Fig 5.9 b
Figura 5.9 Curva de caudal-altura del sistema para una instalación de bombeo
típica
La altura geométrica es la diferencia entre las cotas de la superficie libre del agua en
la cámara de succión y en el punto de descarga. El nivel del agua en la cámara de
succión varía entre los escalones de control de paro y arranque de las bombas y la
superficie del agua en el punto de descarga puede variar igualmente. En
consecuencia, la altura geométrica es variable, resultando en una familia de curvas
del sistema que son paralelas. La curva del sistema de altura máxima corresponde al
mínimo nivel del agua en la cámara de succión y la curva de altura mínima al nivel
máximo en la cámara de succión.
Para calcular las pérdidas por fricción en las tuberías del sistema, es preciso hacer
una primera estimación de los diámetros y las piezas especiales por considerar. El
número de bombas debe ser estimado así mismo, por tanteo, y los diámetros de los
conductos se seleccionan inicialmente utilizando velocidades comprendidas entre 1 a
2.5 m/s. Las velocidades mayores se utilizan para las bombas de mayor tamaño.
Aunque es deseable que las velocidades oscilen entre 1.0 y 2.0 m/s, ello puede
resultar antieconómico.
74
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5.7 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
La aplicación del análisis de sistemas a un cárcamo de bombeo tiene por finalidad
seleccionar las bombas más adecuadas y definir sus puntos de funcionamiento. Este
análisis supone el cálculo de las curvas del sistema y el uso de las mismas en
conjunción con las curvas características de las bombas disponibles.
Independientemente del costo de la energía y su variación, es importante proyectar
sistemas de bombeo eficientes desde el punto de vista de consumo energético.
5.7.1 Sistema de una sola bomba
Las curvas características de la bomba ilustran la relación existente entre la altura
manométrica, el caudal, el rendimiento y la potencia al freno para una amplia gama
de condiciones de funcionamiento posibles, pero no indican el punto de
funcionamiento de la bomba. Este punto se obtiene representando gráficamente la
curva característica de la bomba sobre la curva del sistema. El punto de
funcionamiento de la bomba es el de intersección de las dos curvas.
Si en el cálculo de la curva del sistema se utiliza un coeficiente de fricción demasiado
conservador, puede que la bomba funcione en un punto más alejado de su curva
característica de lo que se pretende. En casos extremos, ello puede conducir a una
pérdida sustancial de rendimiento, a un motor sobrecalentado y posiblemente a
cavitaciones, lo que puede evitarse si se representan gráficamente las curvas del
sistema en las que se utilicen coeficientes de fricción de proyecto (tuberías viejas). El
punto de máximo rendimiento debe estar cercano al de funcionamiento de proyecto y
dentro de la familia de curvas del sistema. En el Ejemplo 6.6 (Capítulo 6) se ilustra el
desarrollo de una curva del sistema y la determinación de punto de funcionamiento
para una sola bomba.
5.7.2 Sistema de varias bombas
En el campo de las aguas residuales, el tipo de cárcamo más usual tiene una o más
bombas funcionando en paralelo. Sin embargo, pueden encontrarse casos en que las
bombas trabajan en serie.
5.7.2.1. Funcionamiento en paralelo
En esta situación, se recomienda utilizar el siguiente método de cálculo para
determinar el punto de funcionamiento de las bombas.
a) Las pérdidas por fricción en las tuberías de succión y descarga de cada bomba
individual no se incluyen en la curva del sistema.
b) En su lugar, estas pérdidas se restan de las curvas características de cada
bomba individual y se obtienen unas curvas características modificadas, las
cuales representan la capacidad de altura-caudal de cada bomba (Figura 5.10).
c) Cuando dos o más bombas funcionan en paralelo, la curva de altura-capacidad
del conjunto se obtiene al sumar los caudales de cada curva modificada para una
75
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altura dada (Figura 5.11A). El punto de intersección de la curva del conjunto con
la del sistema proporciona la capacidad total del conjunto de las bombas y la
altura modificada a la que trabaja cada una de ellas. Con el valor de estas alturas
en cada una de las curvas características modificadas, se conoce el caudal
descargado por cada bomba, su eficiencia y la potencia del freno necesaria en
esas condiciones de funcionamiento. Para encontrar la altura total a la que trabaja
cada bomba, hay que desplazarse verticalmente, a caudal constante, desde la
curva característica modificada hasta la curva característica original
correspondiente. Las especificaciones de las bombas deben hacerse de manera
que las mismas puedan trabajar a esa altura manométrica. Cada bomba puede
funcionar en diversos puntos de su curva característica, aumentando la altura y
disminuyendo el caudal a medida que va entrando en funcionamiento simultáneo
otras bombas. Debe hacerse un esfuerzo para limitar los puntos de
funcionamiento a los comprendidos dentro de un intervalo de caudales entre el 60
y el 120% del punto de máximo rendimiento.
El proceso a realizar en la selección de bombas que funcionan en paralelo se ilustra
en el Ejemplo 6.4 (Capítulo 6) que describe la selección de bombas de velocidad
constante y de dos velocidades.
20
Altura
Curva característica
original de la bomba
Curva característica
modificada
m3 /s
Altura
manométrica
de la bomba
Pérdidas en
la estación,
en m
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
20.0
19.4
17.9
15.0
10.6
0.0
0.1
0.5
1.1
2.0
Caudal, en
10
Altura
manométrica
modificada
de la bomba
20.0
19.3
17.4
13.9
8.6
Pérdidas en el cárcamo
0
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Caudal, en m3 /s
Figura 5.10 Desarrollo de la curva característica modificada de una bomba
76
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5.7.2.2. Funcionamiento en serie
Las bombas instaladas en serie con otras existentes se utilizan para incrementar la
capacidad del cárcamo de bombeo y la descarga de las bombas.
A menudo, ello se hace en la tubería de succión o de impulsión de un cárcamo de
bombeo a fin de superar algún condicionante específico.
Cuando dos o más bombas funcionan en serie, la curva conjunta del sistema se
obtiene sumando las alturas de cada bomba para cada caudal. Este procedimiento
se ilustra en la Figura 5.11B. Cuando se instala una bomba de sobrepresión en una
tubería de impulsión alimentada por bombas que funcionan en paralelo, la curva
altura-caudal del conjunto se obtiene sumando la altura de la bomba de sobrepresión
a la altura modificada de las bombas para un caudal dado.
5.8 MONTAJE DE LAS BOMBAS
En cárcamos de bombeo convencionales las bombas normalmente son del tipo de
eje vertical y succión única y se instalan en la cámara seca con los motores
dispuestos sobre un piso situado por encima de las bombas, a las que se accionan
por medio de un eje vertical flexible como se muestra en la Figura 2.3, Capítulo 2.
Las bombas deben montarse de manera que el punto más alto de la carcasa se
encuentre por debajo del nivel mínimo del agua residual en el cárcamo de bombeo.
Esta disposición asegura que el aire no penetre en la bomba cuando no está en
funcionamiento, por lo que, cuando se produce el arranque automático, ésta siempre
se llena de agua.
Las bombas deben disponerse alineadas y con separaciones idénticas
suficientemente amplias para permitir el acceso y su mantenimiento. Se recomienda
que la separación mínima entre bombas sea de 1 a 1.3 m cuando son pequeñas y
del orden de la anchura de las volutas cuando se trata de bombas grandes.
Es preciso disponer tapas de inspección en la voluta de la bomba y en los codos de
succión. La superficie interna de la tapa de inspección debe tener la forma de la
voluta o del codo.
En los puntos superior e inferior de la voluta deben instalarse conexiones de venteo y
drenaje de diámetro no inferior a 75 mm, incluyendo la válvula de conexión de
drenaje. El drenaje de la carcasa y de la zona de juntas debe conectarse al canal
general de drenaje del cárcamo.
Puesto que el mantenimiento de la bomba supone, en su mayor parte, la
comprobación de todos sus elementos móviles (rotor, eje, manguito del eje y
cojinetes), es indispensable que las bombas sean fácilmente accesibles, lo cual se
consigue cuando el motor está situado en el piso superior y la transmisión se efectúa
mediante un eje flexible dotado de junta universal. Esta disposición tiene la ventaja
que no afecta a la alineación entre bomba y motor. En las bombas en que el
77
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acoplamiento es directo y el motor está montado sobre un bastidor acoplado a la
bomba, es preciso extraer el motor para desmontar la bomba. En la Tabla 5.6 se
muestran las ventajas y desventajas de la ubicación de los equipos de bombeo en el
cárcamo.
Curva característica
boma A
Altura
A) funcionamiento en paralelo
Curva característica
boma B
a
Curva característica combinada
de las bombas A y B funcionando
en paralelo (Q = Q A + Q B )
a
b
b
c
c
Caudal
B) funcionamiento en serie
Altura
a
b
Curva característica combinada
de las bombas A y B funcionando
en serie (H = H A + HB )
c
d
Curva característica
bomba A
e
Curva característica
bomba B
a
b
c
d
e
Caudal
Figura 5.11 Representación esquemática del funcionamiento de varias bombas
78
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Tabla 5.6 Ventajas e inconvenientes de la ubicación del bombeo
Bombeo previo
Bombeo posterior
- Tipos
de
bombas
más
- Tipos de bombas más sencillas
especiales por el contenido de
por ser agua tratada
- Mayores excavaciones para la
sólidos
planta de tratamiento al tener
- Menores excavaciones en la
que emplearse a los niveles de
planta de tratamiento al tratar
agua de llegada
agua impulsada
- Entrada de caudales constantes
- Tratamiento
de
caudales
en
la
planta
pero
con
irregulares,
con
variaciones en el tiempo en
sobredimensionamiento
función
de
las
bombas
obligado de la planta
instaladas y de la capacidad del
- Oscilación de carga importante
depósito
en los reactores biológicos
Fuente: Hernández A. 1996.
5.9 TUBERÍAS DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN
La velocidad del agua residual en las boquillas de succión y descarga varía entre 3 y
4.25 m/s. Si la velocidad resultante quedara fuera de este intervalo, lo más probable
es que deba seleccionarse otra bomba más adecuada. Cuando las alturas
manométricas son de 30 m o más, se suelen necesitar bombas con velocidades de
descarga superiores a los valores indicados. Se recomienda que el diámetro de la
tubería de succión sea una o dos veces superior al de la boquilla de succión de la
bomba y que el del conducto de descarga sea, como mínimo, el doble que el de la
boquilla de descarga de la bomba. En la mayoría de las bombas para aguas
residuales, las boquillas de succión y descarga son del mismo tamaño, aunque, en
ocasiones, la de succión es mayor.
5.9.1 Conducto de succión
Las velocidades en el conducto de succión deben ser del orden de 1.2 a 1.8 m/s, por
lo que es preciso colocar un reductor excéntrico en la conexión con la boquilla de
succión, de manera que la zona recta quede situada en la parte superior del reductor
(Figura 5.12). Las bombas de eje vertical suelen incluir, normalmente, un codo en la
succión. Si este codo no forma parte del suministro, será preciso colocar un codo
reductor, preferiblemente de gran radio, en la zona inferior de la bomba. La tubería
debe incluir una válvula de compuerta situada a continuación del pasamuro de la
pared divisoria entre la cámara húmeda y la cámara seca y una junta flexible entre la
válvula anterior y la bomba. Esta disposición permite la apertura de la bomba sin
inundar la cámara seca. El tipo de válvula más adecuado es el de compuerta tipo
cuña con volante y husillo.
79
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Descarga
Ampliación
concéntrica
Campana de
aspiración
Reductor
excéntrico
Figura 5.12 Bomba de agua residual típica con ampliación concéntrica y
reducción excéntrica
El extremo de la tubería de succión, dentro del cárcamo de bombeo, suele incluir 1)
un cono embridado de 90º a 45º con boca acampanada, o bien 2) un codo embridado
de 90º o 45º con una pieza recta, de boca acampanada. Si el diámetro del extremo
acampanado es D, el punto medio de la boca debe estar a una distancia de la solera
del cárcamo comprendida entre ⅓ D y ½ D. En ocasiones, el extremo de la tubería
de succión acaba directamente en la pared divisoria.
Es preciso que el extremo de la tubería de succión se encuentre sumergido en todo
momento para evitar la entrada de aire por razón del vórtice que se produce cuando
el nivel del agua en el cárcamo de bombeo es bajo. La altura de agua por encima de
la boca acampanada es función de la velocidad de entrada. En la Tabla 5.7 se
indican las sumersiones requeridas para diversas velocidades de entrada.
80
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Tabla 5.7 Profundidad de sumersión requerida para prevenir vortex en la
conexión de bombas de succión
Velocidad en la boca de
Sumersión
succión de diámetro (D)
necesaria (S)
m/s
m
0.6
0.3
1.0
0.6
1.5
1.0
1.8
1.4
2.1
1.7
2.4
2.15
2.7
2.6
Fuente: Metcalf and Eddy, 1985.
5.9.2 Conducto de descarga
Las velocidades del agua en el conducto de descarga para el máximo caudal de
bombeo deben variar entre 1.8 y 2.4 m/s. En el extremo de la descarga hay que
instalar un cono de ampliación concéntrico, tal como se indica en la Figura 5.12,
seguido de una válvula de retención y una válvula de compuerta, la cual,
preferiblemente, conviene que sea del tipo de compuerta de cuña con volante y
husillo. La válvula de retención debe ser, necesariamente, de uno de los tipos
siguientes: válvula de retención de balanceo, válvula cónica, válvula de disco de
inclinación o bien válvula de mariposa.
La descarga de la bomba debe conectarse horizontalmente a la tubería de impulsión,
ya que si la conexión fuera vertical podría producirse la sedimentación de los sólidos
y la obstrucción de la descarga.
En los cárcamos de bombeo de gran tamaño, situados en las plantas de tratamiento
en las que la cota del agua en el canal de descarga varía muy poco, las bombas
pueden instalarse de manera que cada una de ellas tenga un conducto de descarga
independiente desprovisto de válvulas, que incluye un sifón, cuya parte inferior debe
situarse a un altura mínima de 1 m sobre el nivel máximo del agua en el canal de
descarga y que incorpora una ventosa automática en su parte superior que
permanezca cerrada mientras funcione la bomba y se abra automáticamente cuando
ésta pare para interrumpir el sifón y evitar el retorno del agua.
Una disposición alternativa consiste en la descarga sobre unos vertedores, los cuales
tienen el labio situado por encima del máximo nivel del agua en el conducto de
descarga. Las bombas de alta capacidad y baja altura manométrica incorporan, en
ocasiones, unas válvulas de retención del tipo clapeta y descargan en un conjunto de
cámaras independientes que tienen unas mamparas para el control del flujo en las
mismas. Esta disposición es aplicable, asimismo, a los cárcamos de bombeo de
aguas pluviales.
81
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5.10 PRUEBAS Y MANTENIMIENTO DE LAS BOMBAS
Los controles y ensayos para verificar la calidad y buen funcionamiento de las
motobombas se llevan a cabo en el sitio de fabricación, y también en el cárcamo de
bombeo antes de la instalación de las mismas. A continuación se describen dichas
pruebas:
5.10.1 Pruebas hidrostáticas
La bomba, se probará, una vez que tenga sus orificios cerrados, durante un tiempo
de 30 minutos a una presión doble de la de servicio, con un mínimo de 10 kg/cm2.
5.10.2 Ensayos hidráulicos
La bomba se probará con agua a su velocidad real de funcionamiento. Se tomarán
medidas que permitan construir las curvas características y compararlas con las
dadas en garantía por el fabricante. Se deben verificar, en particular, los valores
correspondientes a los puntos de operación definidos en el proyecto. No deberán ser
aceptadas cifras que no cumplan con requerimientos establecidos.
5.10.3 Ensayos mecánicos
Durante estos ensayos mecánicos se establecerá un diagrama de vibración. La
amplitud medida, no deberá pasar un valor límite de 0.0075 m.
En el curso de este ensayo no se observará ningún calentamiento anormal de 35 ºC,
por encima de la temperatura ambiente. No se tolerará incidente alguno en la
marcha.
Se probarán los motores según las normas especializadas en esta materia.
Las pruebas por realizar en el cárcamo permitirán verificar si la instalación funciona
sin golpes ni fluctuaciones anormales. Deberá ser verificado igualmente el buen
funcionamiento de los aparatos de control, así como los de puesta en marcha y paro.
5.10.4 Gasto o caudal
Se empleará un aforador Venturi asociado a un manómetro diferencial. Se podrá
utilizar también un tubo Pitot Para los conductos de gran diámetro se usará un
molinete hidrométrico registrador.
5.10.5 Altura manométrica
Se medirá la presión en la succión y en la impulsión, colocando un manómetro de
mercurio sobre cada uno de los conductos correspondientes. Para presiones más
elevadas, se emplearán manómetros metálicos.
82
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5.10.6 Potencia absorbida
Se medirá mediante métodos físicos directos, dinamómetros de torsión, o colocando
un amperímetro en serie y un voltímetro en derivación.
5.10.7 Velocidad de rotación
La velocidad de rotación se medirá con un contador de vueltas y un cronómetro.
5.10.8 Montaje
Se comprobará el montaje de los motombas, poniendo especial atención al
alineamiento de los ejes respectivos de la bomba y su motor, y al dispositivo de
acoplamiento de los mismos, especialmente si se trata de acoplamientos elásticos.
Si bien los motobombas salen de fábrica con una alineación perfecta de los
elementos móviles, no siempre llegan al sitio de obra en estas condiciones, y menos
aún cuando quedan instalados y unidos a sus tuberías de succión e impulsión.
Los motobombas deberán quedar fijados sobre un macizo de fábrica que posea
suficiente inercia para impedir toda deformación. La sobre elevación mínima del
macizo respecto al suelo será de 10 cm. Se colocarán dispositivos amortiguadores
para evitar las vibraciones del sistema, recomendándose igualmente su instalación
en un soporte flotante sobre arena.
5.10.9 Mantenimiento de las bombas
Para realizar un buen mantenimiento se aconseja:
•
•
Comprobar como mínimo una vez al año o después de 1,000 horas de trabajo el
nivel de aceite, procediendo al cambio del mismo si esto fuera necesario.
La cámara de aceite no debe estar nunca llena, dejando una holgura de un 15%
para facilitar la expansión del mismo.
Si al verificar el aceite se comprueba que existe una sobrepresión, aún cuando la
bomba se hubiera enfriado, pueden ocurrir dos cosas:
•
•
•
•
•
Pudo haberse añadido demasiado aceite cuando se cambió horas antes.
El líquido bombeado pudo haberse infiltrado en la cámara de aceite a través de la
junta mecánica.
El líquido bombeado pudo haber penetrado por el tornillo de inspección del aceite
a la cámara del mismo.
El líquido bombeado pudo haber penetrado a través del cable eléctrico, y haber
penetrado, a través del rodamiento y junta superior, en la cámara de aceite.
Si el aceite se ha emulsionado y toma un color amarillento, se debe revisar
primeramente el tornillo tórico y el tornillo de inspección de aceite de la cámara. Si
83
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están bien estas dos piezas, debe comprobarse la cámara de conexiones, y ver si
hay o no humedad. En cualquier caso, detectada la avería, hay que proceder al
cambio de la pieza o piezas deterioradas.
El aceite se ha de renovar después de estas reparaciones.
84
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6 EJEMPLOS
6.1 EJEMPLO 6.1
Selección de bombas para un cárcamo
Se requiere un cárcamo de bombeo para una capacidad máxima de 75.7 l/s y una
carga de 24 m. Es preciso que el bombeo se divida en 47.3 l/s a una carga total de
18 m y se empleé una sola bomba.
Solución:
La curva total para la carga dinámica contra la descarga se grafica como se muestra
en la Figura 6.1. Los valores para la curva son obtenidos a partir de
donde:
CDT :
HL :
HF :
HV :
CDT = HL + HF + HV
(6.1)
Carga dinámica total
Carga estática total
Pérdida de carga por fricción
Carga de velocidad (V2/2g)
Se necesitarán como máximo tres bombas (una de ellas de reserva), determine el
flujo de diseño como sigue:
a) Dos bombas para 75.7 l/s a 24 m de CDT,
b) Una bomba a 75.7/2 = 37.8 l/s a 24 m de CDT,
c) Una bomba debe ser capaz de lograr estos requerimientos de 47.3 l/s a 18 m
de CDT.
De acuerdo con el catálogo de fabricantes, se encuentra que dos bombas, A y B,
lograrán las especificaciones. Las curvas características para cada bomba se
muestran en la Figura 6.1. La intersección de la curva característica con la curva de
carga-sistema indica que la bomba A puede lograr 47.3 l/s a la CDT de 18 m
mientras que la bomba B puede lograr 49.8 l/s a un CDT de 18.6 m. Si se revisan las
curvas de eficiencia para cada bomba, se tiene que la bomba B logrará el flujo
presente a una eficiencia mucho mayor que la bomba A. De esta forma se selecciona
la bomba B.
Para el presente, seleccionar dos bombas del tipo B y usar una como de repuesto.
Para el futuro, adicionar una bomba más del tipo B.
Las características de operación para un amplio rango de tamaño de bombas y
velocidades son proporcionadas por los fabricantes. Los equipos de manufactura
especial para satisfacer los requerimientos de un cliente deben ser sometidos a una
prueba previa en campo.
85
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TDH, en m
36
Bomba A
33
Dos bombas
tipo B
30
27
Bomba B
Diseño 37.85 l/s
a 24 m TDH
24
21
Diseño actual
47.3 l/s
Diseño 75.7 l/s
a 24 m TDH
18
15
12
Eficiencia (%)
70
9
6
60
Bomba A
A
50
40
3
0
Bomba B
B
0
6
12
18
25
31
37
44
50
56
63
69
76
-4
82
Gasto, en l/s x 10
Figura 6.1 Solución al Ejemplo 6.1
6.2 EJEMPLO 6.2
En un canal de sección semicircular, y con una pendiente en el piso s = 1:500, llegan
a un cárcamo de bombeo, los caudales siguientes:
En estiaje, 5 l/s = Qtr
En tiempo de lluvias, 20 l/s = 4Qtr
La altura del piso de la canaleta en el cárcamo de bombeo es = ± 0
La altura del terreno en el cárcamo de bombeo = + 2.10
Las aguas residuales deben ser elevadas a una altura de + 10 m (p. Ej., la superficie
del líquido en una instalación de lodos activados); la longitud de la tubería de
impulsión es de 200 m. El costo de energía eléctrica es de $1.0 peso/kWh. Según los
datos del Observatorio Meteorológico debe preverse como media anual 700 h de
lluvia. El caudal máximo de aguas residuales se ha obtenido como 1/10 de la
aportación media diaria de 150 l/hab/día. El coeficiente de rugosidad (m) para los
cálculos hidráulicos es de 0.35.
86
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6.2.1 Capacidad de transporte del canal de llegada (Figura 6.1) con un tirante de
agua de 25 cm.
Figura 6.1 Cárcamo de bombeo (Sección A-A)
87
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Figura 6.3 Cárcamo de bombeo (Sección Planta)
diámetro (d) = 25 cm = 0.25 m
radio (r)
= 0.25/2 = 0 .125 m
P = Perímetro mojado, m
A = Área (sección líquida), m2
R = Radio hidráulico, m
s = Pendiente del cárcamo
m = Coeficiente de rugosidad
k = Coeficiente de velocidad
ν = Velocidad de la corriente, m/s
P = (π)(0.125) + (2)(0.125) = 0.642 m
A=
π (d ) 2
8
+ (r )(d ) =
(π )(0.25) 2
+ (0.125)(0.25) = 0.0557 m 2
8
88
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R=
A 0.0557
=
= 0.087 m
P
0.642
R = 0.087 = 0.295
s = 1 : 500 ≈ 0.002 milésimas
k=
100 R
m+ R
=
s = 0.002 = 0.0448
100 ∗ 0.295
= 45.7
0.35 + 0.295
ν = k R ∗ s ν = (45.7)(0.0448)(0.295) =
0.605 m/s < 3.5 m/s = νB max
> 0.6 m/s = νo mín
Q = (ν)(A) Q = (0.0557 m2)(0.605 m/s)
= 0.0337 m3/s = 33.7 l/s
Como el caudal máximo en tiempo de lluvias es de 20 l/s, esto significa que el
cárcamo de bombeo (33.7 l/s) puede absorber este caudal.
6.2.2 Dimensionamiento de la cámara húmeda del cárcamo
a) Capacidad necesaria para una retención de 5 min en estiaje:
(5 min) x (0.3 m3/min) = 1.5 m3
Capacidad existente:
Deducido de las dimensiones en bruto = (0.27) x (4.60) x (1.22) = 1.515 m3
A deducir, 3% por revestimientos
0.045 m3
Capacidad neta existente si las bombas comienzan a funcionar cuando el líquido
llega a los –2.03 y cesan de funcionar cuando el nivel del líquido desciende a –2.30 =
1.470 m3
Dicha capacidad es suficiente para cumplir con la retención de 5 minutos en tiempo
de estiaje.
b) Capacidad necesaria para una retención de 10 min. En tiempo de lluvias:
(10 min) x (1.2 m3/min) = 12 m3
Capacidad existente:
Deducida de las dimensiones en bruto = (0.27 + 1.91) x (4.60) x (1.22)
a deducir 3% por revestimientos
89
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= 12.234 m3
= 0.367 m3
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Capacidad neta existente si las bombas comienzan a funcionar cuando el líquido
llega a los –0.12 y cesan de funcionar cuando el nivel del líquido desciende a –2.30 =
11.867 m3
6.2.3 Dimensionamiento de la tubería de impulsión
El caudal a considerar es el de tiempo de lluvias 20 l/s ≅ 0.020 m3/s.
Debido a la escasa longitud de la tubería, puede emplearse la fórmula aproximada
para el dimensionamiento económico.
D w = 1.5 Q = 1.5 0.02 = 0.212 m
La tubería se considera formada de fierro galvanizado φN 8”, cédula 40 (ya que la
Hman = 17 m):
con s = 1:190
y ν = 0.63 m/s
> ν min = 0.5 m/s
¾ max = 1.2 a 1.5 m/s
hrd = pérdida de carga por fricción en la tubería de impulsión
1
h rd = 200 m
= 1.05 m
190
Para las conexiones de las bombas de estiaje (5 l/s) a la tubería general de φN 8”
(Figura 6.2), con una longitud aproximada de 2.00 m, el diámetro económico
necesario es:
Dw1 = 1.5 0.005 = 0.106 m
y se toma tubería de fierro galvanizado φN 4”, cédula 40, con:
s = 1:60 y ν = 0.63 m/s
hrd = l x s
hrd = 2.00
1
= 0.03 m
60
Con tubería de fierro galvanizado φN 8” para 5 l/s resulta:
1
hrdTr = 200
= 0.07 m
3000
90
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6.2.4 Tubería de succión para la bomba de tiempo de lluvias
Q 0.020 m 3 / s
A= =
0.020 m 2 → d =
v
1m/s
A
= 0.16 m
π 1
+
8 2
eligiendo tubería de fierro galvanizado φN 6”, cédula 40, y siendo
J = 1:35
ν = 1.17 m/s < ν máx = 1.5 a 2 m/s
hrs = pérdida de carga por fricción en la tubería de succión.
Como la longitud de la tubería de succión es de unos 3.80 m, resulta
hrs R = 3.80
1
= 0.11 m
35
6.2.5 Tubería de succión para la bomba de estiaje:
0.005 m 3 / s
A=
=
= 0.005 m 2 → d =
ν
1 m/ s
Q
A
π
1
8 2
eligiendo tubería de fierro galvanizado φN 3”, cédula 40, con:
= 0.08 m
+
s = 1:20
ν = 1 m/s < ν máx = 1.5 a 2 m/s
La longitud de la tubería de succión es de 3.80 m aproximadamente, y por lo tanto,
hrsTr = 3.80
1
= 0.19 m .
20
6.2.6 Cálculo de los costos medios anuales de bombeo
El cálculo es aproximado, ya que no puede saberse si las lluvias coinciden con los
caudales máximos de estiaje. Los valores obtenidos son: por tanto, valores
demasiado altos.
a) En estiaje:
Número de habitantes E =
Qtr × 3600 × 10 5 × 3600 × 10
=
= 1200 hab.
150 l / hab / día
150
Caudal total diario de aguas residuales:
91
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QT =
150 l / hab / día × 1200 hab
= 180 m 3 / día = 65,700 m 3 / año
1000
Duración teórica del bombeo diario:
180 m 3 / día × 1000 l / s
= 10 h / día
5 l / s × 3600 s / h
Costo del bombeo:
1.92 kW × 10 h / día × 1.0 pesos / kW
= 0.107 pesos / m 3
3
180 m / día
b) En época de lluvias:
Tomando a 4Qtr como gasto máximo en tiempo de lluvias:
Duración anual de las lluvias = 700 h
Duración teórica de la lluvia diaria =
700 h
h
= 1.92
365 d
d
Duración teórica del bombeo diario:
138 m 3 / día × 1000 l / s
= 1.92 h / día
20 l / s × 3600 s / h
Costo del bombeo:
8.1 kW × 1.92 h / día × 1.0 pesos / kW
= 0.113 pesos / m3
3
138 m / día
6.3 EJEMPLO 6.3
Selección de bombas de velocidad constante y de dos velocidades
Se desea proyectar un cárcamo de bombeo que sirva a una red de alcantarillado que
recibe el agua residual de una cuenca vertiente parcialmente urbanizada. El agua se
descargará a un colector. Se requiere un sistema de bombeo con capacidad para
impulsar tanto los caudales correspondientes a 10 años como a los 20 años
(caudales de proyecto) utilizando los datos que se suministran a continuación:
Los caudales estimados para dentro de 10 años son de 0.044 m3/s y 0.095 m3/s para
el caudal medio y máximo, respectivamente. Los caudales medio y máximo futuros
de proyecto para dentro de 20 años son de 0.075 m3/s y 0.15 m3/s, respectivamente.
92
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La población a ser servida para este caudal medio a 10 años (0.044 m3/s),
considerando una aportación de 250 l/hab/día, será de 15,000 habitantes
aproximadamente, y a 20 años será de 26,000 habitantes.
Información de proyecto para el Ejemplo 6.3
Valor a 10 años
Valor a 20 años
Población, habs
15,000
26,000
3
Caudal medio, m /s
0.044
0.075
Caudal máximo, m3/s
0.095
0.15
La tubería de impulsión es de 300 mm de diámetro. Al final del período de diseño de
20 años, se estima que la pérdida por fricción en la tubería para el caudal máximo
sea de 15 m. El desnivel del sistema medido entre el máximo nivel en la cámara de
succión y el punto de descarga es de 7 m y la diferencia entre los niveles máximo y
mínimo en la cámara es de 1.0 m. Las pérdidas en el cárcamo deben limitarse a 1.3
m en el punto de funcionamiento de las bombas, mediante un correcto
dimensionamiento de las tuberías de succión y descarga de las mismas.
Solución (primer tanteo):
1) Representar gráficamente la curva del sistema. Solamente hay una diferencia de
1 m entre los niveles máximo y mínimo en la cámara de succión y el caudal
máximo será bombeado a nivel máximo en la cámara, sólo se precisa hacer la
representación gráfica de la curva del sistema para una altura geométrica de 7.0
m.
a) La representación gráfica de la curva del sistema se realiza utilizando la
siguiente ecuación.
⎛ Q m3 / s ⎞
⎟⎟
H t = 7.0 m + 15 m⎜⎜
3
⎝ 0.15 m / s ⎠
2
(6.2)
La curva representada (Figura 6.3) refleja la fricción que tiene lugar en la
tubería de impulsión al final del período de proyecto de 20 años.
b) Debido a que las pérdidas por fricción serán menores cuando la tubería de
impulsión sea nueva, deberá trazarse otra curva que refleje esta situación.
Si se supone que el coeficiente C de Hazen-Williams para la tubería de
impulsión es de 130 cuando está nueva y de 80 al final del período de 20
años, los valores correspondientes de la altura manométrica total para la
nueva curva serán de 62% (80/130) de los calculados en el paso 1(a). La
representación gráfica de la curva del sistema cuando la tubería de
impulsión es nueva se realiza utilizando la siguiente relación (Figura 6.3).
93
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⎛ Q m3 / s ⎞
⎟⎟
H t = 7.0 m + (0.62)(15 m)⎜⎜
3
⎝ 0.15 m / s ⎠
2
(6.3)
2) Representar gráficamente las velocidades en la tubería de impulsión en el
diagrama de la curva del sistema (Figura 6.2), con ayuda de
V m/ s =
Q m3 / s
Q m3 / s
=
A m2
0.0071 m 2
(6.4)
3) Representar gráficamente los valores de los caudales mínimo, medio y máximo,
tanto para el período de 10 años como para el proyecto de 20 años, en la curva
del sistema (Figura 6.3). Los caudales medios y máximos son datos del
problema. El caudal mínimo al cabo de 10 años se obtiene de la Tabla 5.5
Capítulo 5. Debido a que ambos caudales medios son del orden de 0.05 m3/s, se
emplea un factor de 0.25.
Caudal mínimo para el período de 10 años = 0.25 (0.044 m3/s) = 0.011 m3/s
Caudal mínimo para el período de 20 años = 0.25 (0.075 m3/s) = 0.019 m3/s
4) Al analizar la curva del sistema y desarrollar un procedimiento para resolver el
problema, se obtienen las siguientes conclusiones:
•
•
•
•
•
La curva del sistema tiene una altura geométrica pequeña y una altura de
pérdidas por fricción alta.
Tanto los caudales mínimos a los 10 como a los 20 años están por debajo
de los que producen la velocidad mínima permisible en la tubería de
impulsión de 0.6 m/s, lo cual indica que podrá existir deposición de sólidos
en el sistema.
La velocidad a caudal medio a los 10 años es del orden de 0.6 m/s y a
caudal máximo es de 1.35 m/s, la cual es suficiente para arrastrar los
sólidos que puedan depositarse.
Hay una diferencia sustancial entre los caudales máximos a los 10 y 20
años. Si se instala una bomba con capacidad suficiente para el caudal
máximo de proyecto, está sobredimensionada para el de los 10 años.
Debido a que el cárcamo está ubicado en una zona alejada y el caudal
bombeado por el mismo no es el principal componente de la totalidad del
caudal que llega a la planta de tratamiento, no hay necesidad de instalar
bombas de velocidad variable y pueden emplearse bombas de una o dos
velocidades. Sin embargo, las bombas a instalar deberán ser capaces de
bombear el caudal máximo de proyecto con la de mayor capacidad fuera
de servicio. Como no se sabe si la cuenca servida tendrá un desarrollo
subcrítico completo, el caudal al cabo de 10 años debe ser bombeado con
el máximo rendimiento posible.
94
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Altura manométrica total, en m
50
40
Curva del sistema
(tubería vieja)
30
Altura de proyecto
para el sistema
20
10
0
Curva del sistema
(tubería nueva)
0.05
0
0.10
0.15
0.20
0.25
Caudal, en m3/s
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s
Mínimo Medio
Máximo
Caudales intermedios (10 años), m3/s
Mínimo
Medio
Máximo
Caudales de proyecto (20 años), m3 /s
Figura 6.3 Curva del sistema para el análisis preliminar en el Ejemplo 6.4
Con base en el análisis precedente, se evalúan dos diseños alternos:
•
•
Alternativa A. Una bomba en funcionamiento y otra de reserva, cada una
de ellas con capacidad para el caudal futuro de proyecto. A fin de que el
bombeo del caudal intermedio se haga de forma eficiente, deben usarse
bombas de dos velocidades.
Alternativa B. Dos bombas en funcionamiento y otra tercera de reserva,
cada una de ellas con capacidad para bombear la mitad del caudal futuro
de proyecto. Las bombas pueden ser de una o dos velocidades.
Solución (Alternativa A):
1. Determinar el punto de funcionamiento de las bombas.
a) El caudal en el punto de funcionamiento es:
Q = 0.15 m 3 / s
95
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b) La altura en el punto de funcionamiento es
H = 22 m + pérdidas en el cárcamo = 22 m + 1.3 = 23.3 m
2. Seleccionar la bomba del catálogo del fabricante.
a) Debe seleccionarse una bomba de velocidad relativamente elevada, alrededor
de 1170 rpm (véase Tabla 5.4, Capítulo 5) debido a que la altura es,
asimismo, relativamente alta. Se selecciona una bomba de las siguientes
características cuando trabaja a 1170 rpm (Tabla 6.1).
Tabla 6.1 Características de la bomba seleccionada
Punto de
Altura m
Rendimiento %
Caudal m3/s
funcionamiento
Válvula de descarga
..
33.5
0.000
cerrada
..
29.0
0.060
68
26.8
0.100
60% PMR(1)
76
23.3
0.150
Nominal
78
21.2
0.180
PMR
76
18.2
0.215
120% PMR
70
16.4
0.228
Sobrecarga
(1)
Potencia Máxima Requerida
3. Obtener la curva característica modificada de la bomba. La curva se obtiene por
resta de la curva característica original y de las pérdidas que se producen en el
cárcamo de bombeo
Las pérdidas en el cárcamo en el punto de funcionamiento (0.15 m3/s) son de 1.3 m.
Para otros caudales, las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la relación entre
los caudales y pueden calcularse mediante la siguiente relación:
2
⎛
⎞
Q
⎟⎟
Pérdidas en el cárcamo para un caudal dado = 1.3 m⎜⎜
3
0
.
15
m
/
s
⎝
⎠
En la Tabla adjunta se resumen las alturas y pérdidas en el sistema.
Tabla 6.2 Cálculos de alturas manométricas y pérdidas en el cárcamo
Característica
Altura manométrica de la bomba,
m
Pérdidas en el cárcamo, m
Altura manométrica modificada de
la bomba, m
0.0
0.6
0.1
33.5
29.0
26.8
23.3
0
33.5
0.2
28.8
0.6
26.6
1.3
22
96
Búsqueda por palabra
Caudal, m3/s
0.15
0.18
0.215
0.228
21.2
18.2
16.4
1.9
19.3
2.7
15.5
3.0
13.4
Regresar
4. Representar gráficamente las curvas características, original y modificada de la
bomba sobre la curva del sistema, Figura 6.4.
Altura manométrica total, en m
50
40
Curva del sistema
(tubería vieja)
Punto de funcionamiento
de la bomba
rpm
30
Curva del sistema
(tubería nueva)
Curva característica
de la bomba
Altura de proyecto
para el sistema
20
rpm
rpm
10
0
0
Curva característica
modificada de la bomba
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Caudal, en m3/s
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s
Mínimo Medio
Máximo
Caudales intermedios (10 años), m3 /s
Mínimo
Medio
Máximo
Caudales de proyecto (20 años), m3 /s
Figura 6.4 Curva del sistema, alternativa A
Revisando la gráfica de la Figura 6.4, puede verse que la bomba funcionará en el
punto de caudal 0.15 m3/s sobre la curva del sistema para la tubería vieja y a caudal
de 0.177 m3/s y altura 21.4 m sobre la curva del sistema para la tubería nueva.
5. Determinar la potencia de la bomba y la energía consumida durante un día.
a) En la etapa de funcionamiento intermedio (10 años), la bomba funcionará en
un punto de 0.177 m3/s, 21.4 m y 78% de rendimiento. La potencia necesaria
en estas condiciones se determina por medio de la ecuación siguiente:
Pi =
γ QH t
Ep
97
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(6.5)
Regresar
donde:
Pi :
Ep :
γ:
Q:
Ht :
Potencia absorbida, kW, kN m/s
Rendimiento de la bomba, adimensional
Peso específico del agua, kN/m3
Caudal, m3/s
Altura manométrica total, m.
Pi =
(9.81 kN / m3 )(0.177 m3 / s)(21.4 m)
= 47.6 kW
0.78
La potencia absorbida, suponiendo un rendimiento del motor del 90% es:
Pm =
47.6 kW
= 53 kW
0.9
b) Determinación del número de horas de funcionamiento diario y de la energía
consumida:
h 0.044 m3 / s
h
= 5.97
Número de horas de funcionamiento = (24 )
3
d 0.177 m / s
d
h
kWh
Energía consumida = (5.97 )(53 kW ) = 316
d
d
6. De la curva del sistema puede deducirse que la bomba está muy
sobredimensionada para los caudales intermedios de diseño. En consecuencia,
debe utilizarse una bomba de dos velocidades para que su funcionamiento a los
caudales intermedios sea eficiente.
Utilizando las leyes de afinidad y la curva característica modificada de la bomba,
comprobar el funcionamiento de la misma a 870 rpm y a 705 rpm (vease Tabla 5.4,
Capítulo 5). Los cálculos necesarios se resumen en la Tabla adjunta.
1170 rpm
870 rpm
705 rpm
Caudal
Punto de
Caudal
Altura
Caudal
Altura
Altura
3
3 (a)
3 (a)
funcionamiento m /s manométrica m /s
manométrica m /s
manométrica
m(b)
m
m(b)
Válvula
de
12.2
0.000
18.5
0.000
33.5
0.000
descarga
10.5
0.036
15.9
0.045
28.8
0.060
cerrada
9.5
0.060
14.5
0.074
26.2
0.100
60% PMR
8.0
0.090
12.2
0.110
22.0
0.150
Nominal
7.0
0.1009
10.7
0.134
19.3
0.180
PMR
…
…
8.6
0.160
15.5
0.215
120% PMR
…
…
…
…
13.4
0.228
Sobrecarga
(a)
Q1/Q2 = N1/N2, (b) H1/H2 = N12/N22
98
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7. Representar gráficamente las curvas modificadas para velocidad reducida sobre
la curva del sistema (véase Figura 6.5) y analizar el sistema de bombeo
resultante. Se pueden sacar las siguientes conclusiones:
a) A 870 rpm la bomba descarga 0.097 m3/s a 13.7 m (13.1 m de altura en el
sistema más 0.6 m de pérdidas en la estación) sobre la curva del sistema
para tubería vieja. El rendimiento es del orden de un 73% (extrapolando la
curva de 1,170 rpm para los puntos correspondientes). Este punto de
funcionamiento es, esencialmente, el mismo que el del caudal punta
intermedio de 0.095 m3/s. La velocidad en la tubería de impulsión es de 1.3
m/s, la cual es suficiente para arrastrar los sólidos depositados durante los
periodos en que la bomba no funciona.
A 870 rpm, la bomba descarga 0.11 m3/s a 12.9 m de altura con un
rendimiento del 76% sobre la curva del sistema para la tubería nueva.
b) A 750 rpm, la bomba descarga 0.06 m3/s a 9.7 m de altura con un rendimiento
de 68% para la tubería vieja y 0.07 m3/s a 9.2 m de altura y 71% para la
tubería nueva. La velocidad resultante en la tubería de impulsión es del orden
de 0.85 m/s, por lo que los sólidos más pesados pueden depositarse en ella.
Sin embargo, puesto que esto sucede para la velocidad inferior y las bombas
funcionarán periódicamente a mayor velocidad, no constituye un problema.
8) Determinar la potencia de la bomba. Suponer que se aplica la curva del sistema
para tubería nueva.
a) A 870 rpm, suponiendo un rendimiento del motor de un 88%:
Pm =
(9.81 kN / m 3 )(0.11 m 3 / s)(21.4 m)
= 20.8 kW
(0.76)(0.88)
b) A 705 rpm, suponiendo un rendimiento del motor de 86%:
Pm =
(9.81 kN / m 3 )(0.07 m 3 / s)(9.2 m)
= 10.3 kW
(0.71)(0.86)
9) Comprobar la energía de la bomba. Se pueden considerar dos posibilidades:
Alternativa A-1. Instalar un motor de dos velocidades 1170/870 rpm para bombear
tanto los caudales intermedios como los futuros de proyecto.
Alternativa A-2. Instalar, inicialmente, un motor de 870/705 rpm que proporcione
un bombeo adecuado con los caudales intermedios y reemplazarlo cuando se
requiera bombear los caudales futuros de proyecto.
a) Alternativa A-1. Todos los caudales intermedios se pueden bombear a 870
rpm.
99
Búsqueda por palabra
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h 0.044 m 3 / s
h
= 9.6
No. de horas de funcionamiento = (24 )
3
d 0.11 m / s
d
Energía consumida = (9.6 h / d )(20.8 kW ) = 200 kWh / d
b) Alternativa A-2. Suponer que el 80% del caudal se bombea a 705 rpm y el
20% restante a 870 rpm.
Caudal total bombeado = (0.044 m3/s)(86,400 s/d) = 3,800 m3/d)
-
A baja velocidad:
No. de horas de funcionamiento =
(3,800 m 3 / d)(0.8)
h
= 12
3
d
(0.07 m / s)(60s / min)(60 min/ h )
Energía consumida = (12 h / d)(10.3 kW ) = 124 kWh / d
-
A alta velocidad:
No. de horas de funcionamiento =
(3,800 m 3 / d)(0.2)
h
= 1.9
3
d
(0.11 m / s)(60s / min)(60 min/ h )
Energía consumida = (1.9 h / d)(20.8 kW ) = 40 kWh / d
El consumo total de energía para la alternativa A-2 es 124 +40 = 164
kW.
Solución (Alternativa B).
1. Determinar el punto de funcionamiento de las bombas.
a)
El caudal en el punto de funcionamiento es:
Q=
0.15m 3 / s
m3
= 0.075
2
s
b) La altura en el punto de funcionamiento es:
H = 23.3 m
2. Seleccionar la bomba del catálogo del fabricante. Se selecciona una bomba con
las siguientes características cuando trabaja a 1,170 rpm:
100
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Punto de
funcionamiento
Válvula de descarga
cerrada
Caudal m3/s
Altura m
Rendimiento %
0.000
0.025
0.050
0.075
0.085
0.100
0.108
33.5
29.0
26.5
23.3
21.8
19.2
17.4
..
..
68
75
76
72
69
60% PMR
Nominal
PMR
120% PMR
Sobrecarga
3. Obtener la curva característica modificada de la bomba. Las pérdidas de la
estación en el punto de funcionamiento son de 1.3 m. En la Tabla adjunta se
resumen los cálculos necesarios.
Característica
Altura manométrica de la
bomba, m
Pérdidas en el cárcamo, m
Altura manométrica
modificada de la bomba, m
0.0
0.025
Caudal, m3/s
0.05
0.075
0.085
33.5
29.0
26.5
23.3
21.8
19.2
17.4
0
0.2
0.6
1.3
1.7
2.3
2.7
33.5
28.8
25.9
22.0
20.1
16.9
14.7
0.1
0.108
4. Representar gráficamente las curvas características, original y modificada, de la
bomba sobre la curva del sistema (Figura 6.5).
5. Representar gráficamente la curva conjunta de las dos bombas funcionando en
paralelo sobre la curva del sistema. La curva se obtiene determinando el caudal
correspondiente a una altura dada en la curva característica modificada de la
bomba y doblando el caudal a esa altura cuando las dos bombas trabajan en
paralelo.
6. Para que funcionen dos bombas a bajo caudal debe reducirse su velocidad.
Usando las leyes de afinidad y la curva característica modificada de la bomba,
comprobar el funcionamiento a 870 y 705 rpm. Las curvas modificadas de las
bombas se calculan a continuación.
101
Búsqueda por palabra
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1,170 rpm
870 rpm
705 rpm
Caudal
Punto de
Caudal
Altura
Caudal
Altura
Altura
3
3
3
funcionamiento m /s manométrica m /s manométrica m /s manométrica
m
m
m
Válvula
de
12.2
0.000
18.5
0.000
33.5
0.000
descarga
10.5
0.015
15.9
0.019
29.0
0.025
cerrada
9.4
0.030
14.3
0.037
26.5
0.050
60% PMR
8.0
0.045
12.2
0.056
23.3
0.075
Nominal
7.2
0.051
11.0
0.063
21.8
0.085
PMR
…
…
9.3
0.074
19.2
0.100
120% PMR
…
…
8.1
0.080
17.4
0.108
Sobrecarga
Representar gráficamente las curvas modificadas para velocidad reducida sobre la
curva del sistema (Figura 6.5) y analizar el sistema de bombeo resultante.
Altura manométrica total, en m
50
40
Curva del sistema
(tubería vieja)
Punto de funcionamiento
de la bomba
2b
30
om
bas
a
rpm
1170
Curva del sistema
(tubería nueva)
Curva característica de la bomba
rpm
20
rpm
rpm
10
Curva característica
modificada de la bomba
0
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Caudal, en m 3/s
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s
Mínimo Medio
Máximo
Caudales intermedios (10 años), en m 3/s
Mínimo
Medio
Máximo
Caudales de proyecto (20 años), en m 3/s
Figura 6.5 Curva del sistema, alternativa B, para el ejemplo 6.4
102
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De acuerdo con ello, se puede concluir lo siguiente:
a) Si se selecciona la velocidad de 705 rpm, la secuencia de funcionamiento de
las bombas será:
Paso 1. Una bomba, baja velocidad (0.046 m3/s a 7.9 m)
Paso 2. Dos bombas, baja velocidad (0.06 m3/s a 8.3 m)
Paso 3. Dos bombas, alta velocidad (0.175 m3/s a 19.5 m)
Hay un salto excesivamente grande entre los pasos 2 y 3, este último sería
necesario para bombear los caudales intermedios. En consecuencia el
funcionamiento a 705 rpm no es adecuado por lo que esta alternativa debe
desecharse.
b) Si se selecciona la velocidad de 870 rpm, la secuencia de funcionamiento de
las bombas será:
Paso 1. Una bomba, baja velocidad (0.075 m3/s a 9.0 m y 72% de rendimiento)
Paso 2. Dos bombas, baja velocidad (0.125 m3/s a 13.5 m y 74.5% de
rendimiento)
Paso 3. Dos bombas, alta velocidad (0.175 m3/s a 19.5 m y 76% de
rendimiento).
8. Determinar la potencia de la bomba y la energía consumida cuando funciona
sobre la curva del sistema para la tubería nueva.
a) La potencia necesaria para el funcionamiento de la bomba en el paso 1 es
10.7 kW, suponiendo un rendimiento del motor del 86%.
(9.81 kN / m )(0.075 m / s )(9.0 m) = 9.2 kW
P=
3
i
3
0.72
Pm =
9.2 kW
= 10.7 kW
0.86
b) La potencia necesaria para las dos bombas (paso 2) es 25.8 kW, suponiendo
un rendimiento del motor del 86%.
(9.81 kN / m )(0.125
P=
3
i
0.745
)
m / s (13.5 m )
= 22.22 kW
Pm =
22.22 kW
= 25.8 kW
0.86
c) La potencia necesaria para las dos bombas (paso 3) funcionando a alta
velocidad para la curva del sistema con tubería nueva es 51.21 kW,
suponiendo un rendimiento del motor del 86%.
Pi =
γ QH t
Ep
103
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Pi =
(9.81 kN / m )(0.175 m / s )(19.5 m) = 44.04 kW
3
3
0.76
Pi =
44.04 kW
= 51.21 kW
0.86
9. Comprobar el consumo de energía para los caudales intermedios. Puesto que la
descarga a baja velocidad en esta alternativa es ligeramente superior que la de
la alternativa A-1 (0.075 m3/s frente a 0.07 m3/s), suponer que 85% del caudal se
bombea a baja velocidad y 15% a alta velocidad. En base a este supuesto la
energía consumida a baja velocidad es 148.8 kWh/d y a alta velocidad 31.2
kWh/d, totalizando 180 kWh/d.
Costo comparativo de alternativas
1. Comparación de los costos
Alternativa
A-1
de energía de las alternativas
Energía consumida 200
kWh/d
A-2
B
170
180
a) El ahorro de la alternativa A-2 sobre la A-1 es de 30kWh/d es decir, 4073
pesos/año para un costo supuesto de 0.372 pesos/kWh. El ahorro durante el
período intermedio (10 años) basado en una tasa de interés compuesto anual
del 8% es aproximadamente, 59,520 pesos. El costo de reposición de un
motor, si se presentan los caudales de proyecto para el período de 20 años,
debe ser comparado con los ahorros calculados.
b) El ahorro de la alternativa A-2 sobre la B es de 10 kWh/d, es decir 1,358
pesos/año y de 19,623 pesos durante el período intermedio de 10 años.
Selección final de las bombas
Cualquiera de las dos alternativas A o B, es aceptable. La selección de la alternativa
A-1, A-2 o B debe basarse sobre consideraciones económicas y sobre sus ventajas.
1. Algunas de las posibles ventajas de la alternativa A sobre la B son: construcción
de un edificio de menor tamaño, ya que hay que instalar sólo dos bombas en
lugar de tres; menor costo de mantenimiento de las dos bombas frente al de tres
y control del sistema más sencillo.
2. La ventaja de la alternativa B sobre la A-2 reside en que los equipos instalados
tienen capacidad para bombear los caudales futuros de proyecto a 20 años,
mientras que, en la alternativa A-2, hay que cambiar un motor de una bomba
para poder bombear los caudales futuros, aunque es posible que éstos no se
presenten.
3. Para ilustrar el efecto que tiene la curva del sistema sobre la selección de las
bombas, suponer que la altura geométrica en este ejemplo es tres cuartas partes
de la altura manométrica total en el punto de funcionamiento y, asimismo, que
hay una disminución correspondiente de las pérdidas por fricción, tal como la que
puede ocurrir con una tubería de impulsión de menor longitud. Las curvas del
sistema, en este caso, serían las mostradas en las Figuras 6.6 y 6.7. Como
puede verse en la Figura 6.6, la bomba descargará el caudal de proyecto a 1170
104
Búsqueda por palabra
Regresar
rpm, pero solamente 0.037 m3/s a 870 rpm. La velocidad de 705 rpm no puede
utilizarse porque la altura geométrica del sistema es mayor que la de la bomba a
válvula cerrada. Debido a que la bomba funciona cerca de este punto a 870 rpm
(0.037 m3/s es el 33% del correspondiente al punto de máximo rendimiento), esta
no debe trabajar en continuo a baja velocidad. En esta alternativa, el bombeo de
los caudales intermedios se produce a bajo rendimiento y, en consecuencia, esa
bomba no debe utilizarse.
Altura manométrica total, en m
50
40
30
rpm
Curva del sistema
(tubería vieja)
Curva del sistema
(tubería nueva)
Altura del sistema
de proyecto
20
rpm
705 rp
m
10
0
Punto de funcionamiento
de la bomba
0
0.05
0.5
0.10
1.0
1.5
0.20
0.25
Caudal, en m3/s
0.15
2.0
2.5
3.0
Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s
Mínimo Medio
Máximo
Caudales intermedios (10 años), m3 /s
Mínimo
Medio
Máximo
Caudales de proyecto (20 años), m3 /s
Figura 6.6 Curva revisada del sistema, alternativa A (funcionamiento de una
bomba)
Como se muestra en la Figura 6.7, una bomba funcionando a alta velocidad
descarga aproximadamente 0.095 m3/s (95 l/s) a 17.3 m de altura y dos bombas en
paralelo son capaces de bombear los caudales máximos del período de proyecto.
Como se ha indicado anteriormente en la alternativa A, las bombas en la alternativa
B no deben funcionar a baja velocidad porque trabajarían cerca del punto de
funcionamiento a válvula cerrada.
105
Búsqueda por palabra
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De ambas alternativas, sería preferible escoger la B, con bombas de una velocidad,
para un sistema con altura geométrica alta. Asimismo, sólo se precisa instalar
inicialmente dos bombas (una en reserva) para bombear los caudales intermedios e
instalar una tercera en el futuro cuando los caudales que se presenten excedan los
previstos.
Altura manométrica total, en m
50
40
Curva del sistema
(tubería vieja)
Punto de funcionamiento
de la bomba
30
11
70
rpm
20
Curva del sistema
(tubería nueva)
rpm
10
0
Dos bombas a 1170 rpm
rp m
0.05
0
0.5
0.10
1.0
1.5
0.15
2.0
0.20
0.25
Caudal, en m3/s
2.5
3.0
Velocidad en la tubería de impulsión, en m/s
Mínimo Medio
Máximo
Caudales intermedios (10 años), m3/s
Mínimo
Medio
Máximo
Caudales de proyecto (20 años), m3 /s
Figura 6.7 Curva revisada del sistema, alternativa B (funcionamiento de dos
bombas)
6.4 EJEMPLO 6.4
Determinación del control de bombeo para bombas de dos velocidades
Establecer una secuencia de bombeo para la alternativa B del Ejemplo 6.3. La
conFiguración de la cámara de succión es similar a la indicada en la Figura 2.3,
Capítulo 2 y las cotas de la misma en la Figura 6.8. Suponer que se utiliza un
sistema de control de niveles y que la separación a mantener entre cada escalón de
control es de 0.15 m.
106
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Caudal estimado a 10 años m3/s:
Caudal estimado a 20 años m3/s:
Medio
0.0044
0.075
Máximo
0.095
0.150
La tubería de impulsión es de 0.30 m de diámetro.
Pérdida de fricción en la tubería después de 20 años: 15 m.
Altura geométrica: 7 m.
Diferencia entre niveles máximo y mínimo: 1.0 m.
Las pérdidas en el cárcamo se limitan a 1.3 m.
Solución:
1. Revisar el Ejemplo 6.3. La alternativa B implica un sistema de bombeo que consta
de dos bombas de dos velocidades y una tercera de reserva. El intervalo de
control de niveles en la cámara de succión es de 1.0 m. Los tres pasos de
funcionamiento son los siguientes:
Etapa I: Primera bomba, velocidad baja.
Etapa II: Segunda bomba, velocidad baja.
Etapa III: Ambas bombas, velocidad alta.
2. Establecer el nivel mínimo en la cámara de succión. La parte superior de la
bomba está situada en la cota 51.4 y el nivel mínimo debe estar por encima de
esa cota; es decir en la cota 51.5 m. La primera bomba, en la etapa I, se para
cuando el líquido alcanza esta cota.
3. Establecer el nivel máximo en la cámara de succión. El intervalo activo es de 1.0
m, por lo que el nivel máximo será de 52.5 m. En la etapa III, ambas bombas se
ponen en funcionamiento cuando el agua alcanza esta cota.
4. Establecer las cotas de los puntos de arranque. Ambas bombas arrancan cuando
el nivel es de 52.5 m y debe mantenerse una separación entre funciones de
control de 0.15 m, se pueden establecer las siguientes cotas para los arranques:
Arranque de la primera y segunda bomba (alta velocidad)
Separación
Arranque de la primera y segunda bomba (baja velocidad)
Separación
Arranque de la primera bomba (baja velocidad)
52.50 m
-0.15 m
52.35 m
-0.15 m
52.20 m
5. Establecer las cotas de los puntos de paro
Paro de la primera bomba
Separación
Paro de la primera y segunda bomba (baja velocidad)
Separación
Paro de la primera y segunda bomba (alta velocidad)
51.50 m
0.15 m
51.65 m
0.15 m
51.80 m
107
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Regresar
6. Establecer las cotas de alarma y paro de las bombas por nivel mínimo.
a) La alarma de nivel máximo se sitúa por encima del nivel normal más elevado
y por debajo del arranque de la bomba de reserva.
b) La alarma de nivel mínimo se sitúa por debajo del nivel normal más bajo pero
por encima del de paro de emergencia de bajo nivel.
c) El paro de emergencia de bajo nivel se establece para proteger a las bombas
y otros equipos instalados en la cámara de succión. En este ejemplo, el nivel
debe de situarse para evitar el descenso del agua en la cámara de succión
por debajo de la parte inferior de las rejas.
d) Los niveles de los paros de alarma y emergencia por bajo nivel se establecen
como sigue:
Cota de alarma de nivel máximo
Cota de alarma de nivel mínimo
Cota de paro de nivel bajo
52.65 (52.50 + 0.15)
51.35 (51.50 – 0.15)
51.20 (51.35 – 0.15)
7. Establecer el intervalo de funcionamiento de la bomba de reserva.
a) La bomba de reserva solamente funciona a alta velocidad. En consecuencia,
se para a la misma cota que la de la etapa III.
b) La cota de arranque de la bomba de reserva se establece en la 52.80 (52.65
+ 0.15). esta cota por encima de la alarma de nivel máximo, de manera que el
operador es alertado cuando falla una de las bombas.
108
Búsqueda por palabra
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Desmenuzador
Cota del piso
base de la
tubería 52.1 m
Funcionamiento
de la alarma de
nivel máximo
Cota 54.2
Cota 53.15
Cota del nivel
máximo 52.5 m
Cota del nivel
mínimo 51.5 m
Tubo de
caída de
entrada
Arranque
Arranque
52.2
Paro
51.5
Paro
Arranque
52.35
51.65 Paro
Arranque
52.5
Arranque
52.65
51.8
Paro
51.35
Paro
Bomba y
cota 51.4
51.2
Función
cota, m
Bomba de reserva
alta velocidad
Etapa 1
Primera bomba
baja velocidad
Función
cota, m
Alarma
Función
cota, m
Etapa 1
Primera bomba
baja velocidad
Función
cota, m
Etapa 1
Primera bomba
baja velocidad
Paro de emergencia
de nivel mínimo
Función de control
Figura 6.8 Control de niveles de la cámara de succión
6.5 EJEMPLO 6.5
Desarrollo de la curva del sistema y determinación del punto de funcionamiento para
un sistema de una sola bomba.
Un caudal de 0.35 m3/s de agua residual de una red de alcantarillado ha de
bombearse mediante el sistema de bombeo mostrado en la Figura 3.3, Capítulo 3.
Suponer que la tubería de succión tiene 5.0 m de diámetro y 4 m de longitud y que la
de impulsión es de 0.45 m de diámetro y 770 m de longitud; ambas tuberías son de
fundición. La altura geométrica de succión es 1 m y la de elevación 21 m. Desarrollar
una curva del sistema para caudales comprendidos entre 0.0 y 0.5 m3, Aunque en la
Figura 3.3, Capítulo 3, se muestran dos codos a 45º, suponer que en la tubería de
impulsión existen cinco codos. Para el cálculo de la pérdida en la abertura de succión
suponer un coeficiente de 0.2.
Si una bomba con sección y boquilla de descarga de 350 mm que funciona a 1150
rpm tiene las características indicadas en la Tabla adjunta, determinar el caudal
producido por la bomba cuando funcione para la curva del sistema. Asimismo,
109
Búsqueda por palabra
52.8
51.8
Regresar
determinar la altura manométrica total y el rendimiento. Si se bombean 0.2 m3/s a
velocidad inferior, determinar la nueva velocidad de funcionamiento y el rendimiento.
Tabla 6.3 Características de la bomba
Altura, m
Rendimiento, %
Caudal, m3/s
...
40.0
0.00
...
39.0
0.10
77.0
...
0.15
80.6
36.6
0.20
83.4
...
0.25
84.6
32.5
0.30
84.6
...
0.35
82.6
23.0
0.40
75.0
13.5
0.45
Solución:
1. Desarrollo y representación gráfica de la curva del sistema. La altura
manométrica total para los diversos caudales se determina mediante la ecuación
siguiente, en la que la pérdida de altura de velocidad se considera como una
pérdida menor.
H t = H geom + h fs + ∑ hms + h fd + ∑ hmd
(6.6)
a) La altura geométrica es
H geom = hd − hs = 21 m − 1 m = 20 m
(6.7)
b) Las velocidades en las tuberías de succión, y en la descarga en las boquillas
de la bomba para el caudal de 0.35 m3/s son las siguientes
Vd =
0.35 m 3 / s
= 2.20 m / s
(π / 4)(0.45 m) 2
c) Cálculo de las pérdidas en la tubería de succión para el caudal de 0.35 m3/s:
•
Las pérdidas por fricción hfs utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach son
las siguientes
Vs2
(1.78 m / s) 2
=
= 0.161 m
2 g 2 x 9.81m / s 2
f = 0.017 (del Diagrama de Moody)
110
Búsqueda por palabra
(6.8)
Regresar
h fs = f
•
4m
L Vs2
×
= 0.017
0.16 m = 0.022 m
D 2g
0.5 m
(6.9)
Las pérdidas menores Σhms son:
Pérdida de embocadura (boca acampanada) = 0.2
Pérdida en codo
Válvula de compuerta (totalmente abierta)
= 0.2
= 0.07
Vs2
= 0.2 × 0.161 = 0.032 m
2g
Vs2
= 0.2 × 0.161 = 0.032 m
2g
Vs2
= 0.07 × 0.161 = 0.011m
2g
Σhms = 0.032 + 0.032 + 0.011 = 0.075 m
La pérdida en el reductor concéntrico de 500 mm a 350 mm (utilizando en la
conexión de la tubería de succión con la boquilla de la bomba) es:
0.04
Vs2
(3.64 m / s) 2
= 0.04
= 0.04 × 0.68 m = 0.027 m
2g
2 × 9.81 m / s 2
Las pérdidas menores totales son Σhms:
0.075 m + 0.027 m = 0.102 m
•
Pérdida total en succión:
0.022 m + 0.102 m = 0.124 m
d) Cálculo de las pérdidas en la tubería de impulsión para el caudal de 0.35 m3/s.
•
Las pérdidas por fricción hfd utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach,
son:
Vs2
(2.2 m / s ) 2
4.84
=
=
= 0.247 m
2
2 g 2 × 9.81 m / s
19.62
f = 0.018
h fd = f
•
770 m
L Vd2
×
= 0.018
0.247 m = 7.608 m
D 2g
0.45 m
Las pérdidas menores son Σhmd:
Válvula de retención (totalmente abierta) = 2.5
111
Búsqueda por palabra
Vd2
= 2.5 × 0.247 m = 0.62 m
2g
Regresar
Válvula de compuerta (totalmente abierta) = 0.07
Codos (5 a 0.2 cada uno) = 1.0
Vd2
= 1.0 × 0.247 m = 0.247 m
2g
Pérdida en la descarga = 1.0
•
Vd2
= 0.07 × 0.247 m = 0.02 m
2g
Vd2
= 1.0 × 0.247 m = 0.247 m
2g
Σhmd = 0.62 m + 0.02 m + 0.247 m + 0.247 m = 1.13 m
La pérdida en el cono de ampliación de 350 a 450 m (utilizado para
conectar la boquilla de descarga de la bomba con tubería de impulsión) es:
0.4(V1 − V2 ) 2 0.4(3.64m / s − 2.20m / s) 2
=
= 0.042m
2g
2 x 9.81m / s 2
Las pérdidas menores totales son 1.13 m + 0.042m = 1.171 m
La pérdida total en la succión sería igual a la suma de las pérdidas por fricción y las
pérdidas menores:
7.608 m + 1.171 m = 8.799 m
Y las pérdidas totales del sistema considerando succión e impulsión serían:
0.124 m + 8.779 m = 8.903 m
e) Calcular las alturas manométricas totales para los diversos caudales,
suponiendo que las pérdidas varían con el cuadrado del caudal (suponiendo
constante el coeficiente de fricción).
Q, m3/s
0.35
0
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
Q/0.35
1.0
0
0.286
0.571
0.857
1.143
1.429
(Q/0.35)2
1.0
0
0.082
0.327
0.735
1.306
2.041
Σ(hf+hm)
8.903
0
0.730
2.912
6.544
11.629
18.173
Hgeom
20.0
20.0
20.0
20.0
20.0
20.0
20.0
Ht
28.9
20.0
20.7
22.9
26.5
31.6
38.2
f) Representar gráficamente los valores de la altura total con respecto a su
caudal correspondiente (Figura 6.9).
112
Búsqueda por palabra
Regresar
Figura 6.9 Curva del sistema para el ejemplo 6.5.
2. Determinar el caudal, altura manométrica y rendimiento de la bomba cuando
funcione con la curva del sistema desarrollada en el paso 1.
a) Utilizando los datos proporcionados, representar gráficamente la curva
característica y de eficiencia de la bomba.
b) El punto de intersección de la curva característica de la bomba con la del
sistema es el punto de funcionamiento de la bomba. Para ese punto se tienen
los siguientes valores:
Caudal Q = 0.35 m3/s
Altura H
= 29 m
Eficiencia = 84.6%
3. Determinar la velocidad de giro, la altura y la eficiencia de la bomba cuando ésta
impulsa 0.2 m3/s contra la curva del sistema previamente determinada.
113
Búsqueda por palabra
Regresar
a) A partir de la curva del sistema para un caudal de 0.2 m3/s, la nueva altura H
es 23.0 m.
b) La nueva velocidad de giro está dada por la aplicación de las leyes de
afinidad:
Q1 N 1 H 1 N 12
=
=
Q 2 N 2 H 2 N 22
Sin embargo, estas leyes solamente son válidas para puntos correspondientes y el
punto correspondiente de la curva característica original de la bomba es
desconocido. Este punto puede determinarse por el siguiente procedimiento:
Eliminando N1 y N2 de las ecuaciones anteriores se obtiene:
H 2 Q 22
=
H 1 Q12
Despejando a H2 nos queda una ecuación de una parábola que pasa por el origen y
el nuevo punto de funcionamiento y es el lugar geométrico de los puntos
correspondientes a diferentes velocidades.
Determinación del valor de la constante k.
23.0m
s2
k=
= 575 5
(0.2m 3 / s) 2
m
Determinar al menos dos puntos sobre la parábola utilizando la ecuación H2=575Q22:
Q2 = 0.1 m3/s
Q2 = 0.15 m3/s
Q2 = 0.25 m3/s
H2 = 5.75 m
H2 = 12.9 m
H2 = 35.9 m
Representar gráficamente la parábola como se indica en la Figura 6.9 y determinar
las coordenadas de su intersección con la curva característica de la bomba a 1,150
rpm. Las coordenadas son:
Q = 0.248 m3/s
H = 35.4 m
Este es el punto de la curva original de la bomba correspondiente al nuevo punto de
funcionamiento a velocidad reducida.
La velocidad reducida se obtiene por aplicación de las leyes de afinidad:
Q2
0.2 m 3 / s
N 2 = N1
= 1,150 rpm x
= 927 rpm
Q1
0.248 m 3 / s
114
Búsqueda por palabra
Regresar
La eficiencia en el nuevo punto de funcionamiento se supone igual a la del punto
correspondiente en la curva característica dada de la bomba. Por lo tanto, el
rendimiento será aproximadamente del 83%.
6.6 EJEMPLO 6.6
Selección de bombas de velocidad variable y constante
Seleccionar dos o más bombas para su instalación en un cárcamo de bombeo de
gran tamaño que ha de impulsar el agua residual a la planta de tratamiento mediante
una tubería de impulsión de 1.00 m de diámetro. El caudal medio inicial es, 1.0 m3/s,
el mínimo inicial es el 40% del medio (0.40 m3/s) y el máximo inicial es dos veces el
medio (2.0 m3/s). Los caudales futuros se han estimado en un 50% superior a los
iniciales. La capacidad inicial del cárcamo ha de ser de 2.5 m3/s.
Las pérdidas por fricción en la tubería de impulsión para el caudal futuro de proyecto
se ha estimado en 6.0 m. Las pérdidas iniciales serán el 60% de las futuras debido a
que la tubería será nueva y tendrá un coeficiente C de Hazen-Williams más elevado.
Las pérdidas en el cárcamo se suponen de 1.3 m para el punto de funcionamiento de
las bombas (condiciones futuras). La altura geométrica es 14 m para el máximo nivel
de la cámara de succión y de 16 m para el nivel mínimo. Las bombas tendrán un
control automático o manual entre ambos niveles.
Solución:
1. Tabular los caudales de proyecto en m3/s.
Caudal
Inicial
Futuro
Máximo inicial
Mínimo
0.40
0.60
---
Medio
1.0
1.5
---
Máximo
2.0
3.0
2.5
2. Representar gráficamente la curva del sistema y los diversos puntos
correspondientes al caudal y las velocidades en la tubería de impulsión (Figura
6.10). La curva del sistema debe incluir, asimismo, la curva mínima
correspondiente a la tubería nueva para asegurar que no se presentarán
problemas. La curva del sistema se representa utilizando la siguiente relación:
a) Condiciones futuras con tubería vieja:
⎛ Q ⎞
⎟⎟
H t = altura geométrica + 6 m⎜⎜
3
3
/
m
s
⎠
⎝
b) Condiciones iniciales con tubería nueva:
115
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2
Regresar
⎛ Q ⎞
⎟⎟
H t = altura geométrica + (0.6)(6 m) ⎜⎜
3
⎝3m /s⎠
2
3. Análisis de la curva del sistema. Pueden extraerse las siguientes conclusiones:
a) La curva del sistema es básicamente plana con elevada altura geométrica y
pérdidas por fricción bajas.
b) El caudal mínimo inicial es bombeado con una sola bomba que trabaja en el
nivel mínimo de la cámara de succión (la mayor altura geométrica). En estas
condiciones, la bomba debe ser capaz de impulsar 0.4 m3/s a una altura de
16.1 m, más las pérdidas en el cárcamo.
c) El caudal máximo inicial de 2.5 m3/s será bombeado con una o más bombas
funcionando el nivel máximo de la cámara de succión (curva mínima del
sistema). En consecuencia, la altura de proyecto correspondiente a este
caudal será de 18.2 m más las pérdidas en el cárcamo, es decir, 19.5 m.
4. Selección de las bombas.
a) Como las bombas funcionarían en continuo, debe emplearse bombas de
velocidad variable y constante. En estas condiciones, la primera bomba,
trabajando a su velocidad mínima, no deberá impulsar un caudal superior a la
mitad del correspondiente a su velocidad máxima. De esta manera, el sistema
estará formado por: 1) la primera bomba de velocidad variable, funcionando
entre el 50% y el 100% de su capacidad, y 2) dos bombas de velocidad
variable funcionando entre el 100% (50 + 50) y el 200% de la capacidad
(referida a la de una sola bomba). Una bomba de velocidad constante puede,
entonces, funcionar al 100% de capacidad de manera que cuando las tres
bombas trabajan simultáneamente producen del 200% (50 + 50 + 100) al
300% de la capacidad de una de ellas.
b) El caudal inicial de proyecto puede bombearse con dos o tres bombas
funcionando en paralelo. Lo más conveniente es utilizar el menor número
posible de bombas pero con la condición de que cada una de ellas sea capaz
de funcionar a velocidad reducida para el caudal inicial mínimo.
•
El punto de funcionamiento para las dos bombas es:
2.5 m 3 / s
= 1.25 m 3 / s a 19.5 m
2
•
El punto de funcionamiento para las tres bombas es:
2.5 m 3 / s
= 0.83 m 3 / s a 19.5 m
3
116
Búsqueda por palabra
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c) Como se muestra en la Figura 6.10, el máximo rendimiento para las bombas
de capacidad superior a 0.6 m3/s es del orden del 90% y ello para una
velocidad específica de aproximadamente 60, lo cual exige un rotor dentro del
intervalo del tipo Francis o de flujo mixto.
d) A fin de disponer de una bomba que tenga la máxima disminución entre su
velocidad máxima y mínima, la bomba debe seleccionarse de una manera que
su punto de funcionamiento esté situado a la derecha del de máximo
rendimiento en la curva característica.
e) Teniendo en cuenta los factores mencionados, se seleccionan bombas de las
siguientes características:
•
Para dos bombas o una tercera en reserva (600 mm), de flujo mixto (585
rpm):
Punto de
funcionamiento
Válvula de descarga
cerrada
Altura,
m
Caudal,
m3/s
Rendimiento,
%
...
31.1
0.00
...
28.2
0.50
70
26.5
0.72
60% PMR
85
20.5
1.20
PMR
84
19.5
1.25
Nominal
79
15.8
1.43
120% PMR
Nota: 1. La Altura positiva de succión (NPSH) necesaria al 120% PMR = 6.7 m.
2. El rodete es de tamaño medio de tal modo que la capacidad puede
aumentarse o disminuirse.
•
Para tres bombas y una cuarta en reserva (500 mm) de flujo mixto (705
rpm):
Punto de
funcionamiento
Válvula de descarga
cerrada
Caudal,
m3/s
Altura,
m
Rendimiento,
%
-26.9
0.00
-23.5
0.25
76
22.6
0.46
600% PMR
86.5
200.1
0.78
PMR
86
19.5
0.83
Nominal
81
16.5
0.96
120% PMR
77
14.9
1.00
Sobrecarga
Nota: 1. La Altura positiva de succión (NPSH) necesaria al 120% PMR = 6.7 m.
2. El diámetro del rodete en el punto nominal = 560 mm. El máximo rodete en
la voluta = 590 mm.
5. Obtener las curvas características modificadas de las bombas; las pérdidas en el
cárcamo para el punto de funcionamiento son de 1.3 m.
117
Búsqueda por palabra
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a) Para una bomba de flujo mixto de 600 mm:
0
0.5
Caudal, m3/s
0.72
1.2
31.1
0
28.2
0.2
26.5
0.4
20.5
1.2
19.5
1.3
15.8
1.7
31.1
28.0
26.1
19.3
18.2
14.1
Característica
Altura manométrica de la
bomba, m
Pérdidas en el cárcamo, m
Altura
manométrica
modificada de la bomba, m
1.25
1.43
b) Para una bomba de flujo mixto de 500 mm:
Característica
Altura manométrica de la
bomba, m
Pérdidas en el cárcamo, m
Altura
manométrica
modificada de la bomba, m
0
0.25
Caudal, m3/s
0.46
0.78
0.83
26.4
0
23.5
0.1
22.6
0.4
20.1
1.1
19.5
1.3
16.5
1.7
14.9
1.9
26.4
23.4
22.2
19.0
18.2
14.8
13.0
Figura 6.10 Curva del sistema
118
Búsqueda por palabra
0.96
1.0
Regresar
6.7 EJEMPLO 6.7
Diseño de tubería evitando cavitación
Seleccionar la tubería para un cárcamo de bombeo de agua con una longitud de
transportación de 15 km. El flujo máximo es 0.4 m3/s.
Solución:
Una elección para el cárcamo de bombeo es la tubería de acero dúctil alineada con
cemento y adecuada para una velocidad de 2.5 m/s, lo cual es lo suficientemente alta
para minimizar el tamaño y costo de válvulas y otros y lo suficientemente bajo para
evitar cavitación y pérdidas de carga
Diámetro de la tubería para ν = 2 m/s: 0.5 m
ν seleccionada 2.5 m / s
=
= 1.25
2m/ s
ν tabla 6.4
Area requerida =
(6.10)
0.213 m 2
= 0.17 m 2
1.25
Se eligen 0.45 m de tubería: A = 0.172 m2
ν=
Q
0.4
=
= 2.33 m / s
A 0.172
(6.11)
Pérdida de carga por fricción: se usa la ecuación siguiente, en donde C = 120.
⎛Q⎞
h f = 10,700⎜ ⎟
⎝C⎠
⎛ 0.4 ⎞
h f = 10.7⎜
⎟
⎝ 120 ⎠
1.85
(0.468)−4.87
1.85
D − 4.87
(6.12)
h f = 11.3 m / 1000 m
Si se comparan los cálculos con la Tabla 6.4, se observa que las pérdidas de carga
son una función de Q o ν elevado a la 1.85. De aquí que
h f real
⎛ Qreal
= h f tabla 6.4 ⎜
⎜Q
⎝ tabla 6.4
⎞
⎟
⎟
⎠
1.85
⎛ 0.4 ⎞
= 8.5⎜
⎟
⎝ 0.344 ⎠
1.85
= 11.2 m / 1000 m
(6.13)
Cuando se toma el coeficiente C = 145, la pérdida de carga es 8.4 m/1000 m, la cual,
en la longitud corta de la tubería en un cárcamo de bombeo, sólo sería alrededor de
119
Búsqueda por palabra
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0.060 m. A 11.3 m/1000 m, las pérdidas de carga sería sólo de 0.040 m más, lo cual
es insignificante.
Para el transporte principal, una velocidad cercana a 2 m/s parece ser económica
cuando los costos de tubería, válvulas y coples, métodos de control y mecanismos,
instalación, y energía son analizados por un periodo de 20 años. Usando la Tabla
siguiente a 0.5 m la tubería cumpliría las condiciones.
Tabla 6.4 Tubería de acero dúctil Clase 53, Hazen-Williams C = 120
Espesor (mm)
DiámeTamaño
tro
nominal
exterior
(mm)
(mm)
75
100
150
200
250
300
350
400
450
500
600
750
900
1050
1200
1350
101
122
175
230
282
335
389
442
495
549
655
813
973
1130
1290
1450
Interior
Pared
de
acero
Forro
de
mortero
Diámetro
(mm)
Área
(m2)
7.87
8.13
8.64
9.14
9.65
10.2
10.7
10.9
11.2
11.4
11.9
13.0
14.7
16.5
18.3
20.6
1.59
1.59
1.59
1.59
1.59
1.59
2.38
2.38
2.38
2.38
2.38
3.18
3.18
3.18
3.18
3.18
82
102
155
208
259
312
363
415
468
521
627
781
937
1090
1250
1550
5.24E-3
8.25E-3
1.88E-2
3.41E-2
5.29E-2
7.63E-2
1.03E-1
1.35E-1
1.72E-1
2.13E-1
3.08E-1
4.79E-1
6.90E-1
9.35E-1
1.22E+0
1.55E+0
Para v = 2 m/s
Peso
Descarga, Pérdida Tubede carga,
ría
Q
3
hf
kg/m
(m /s)
(m/1000
m)
1.05E-2
1.65E-2
3.76E-2
6.82E-2
1.06E-1
1.53E-1
2.06E-1
2.71E-1
3.44E-1
4.26E-1
6.17E-1
9.57E-1
1.38E+0
1.87E+0
2.44E+0
3.09E+0
66
50
31
22
17
14
12
9.8
8.5
7.5
6.1
4.7
3.8
3.2
2.7
2.4
16.2
20.6
31.9
44.8
58.3
73.3
89.5
104
120
136
170
229
313
408
517
652
De acuerdo con el fabricante, el espesor de la pared es de 9.1 mm. Se asume que el
cemento sea de doble espesor. Los valores del diámetro exterior en la Tabla anterior
son correctos para todas las clases de tuberías de acero, así que
Diámetro interior = 549 – 2(9.1 + 2 x 2.38) = 521.28 mm = 0.521 m
⎛ 0.4 ⎞
h f = 10,700⎜
⎟
⎝ 120 ⎠
1.85
(0.521)−4.87
= 6.69 m / 1000 m
Para 15 kilómetros de tubería, las pérdidas de carga total a C = 120 es 6.7 x 15 =
100 m, contra 0.0828 m a C = 145. La diferencia en las pérdidas de carga y el uso de
energía es importante y digno de estudiar cuidadosamente.
120
Búsqueda por palabra
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6.8 EJEMPLO 6.8
Determinación de la altura de succión permisible de una bomba.
Determinar la altura máxima de succión permisible para una bomba que tiene una
constante de cavitación de 0.3 cuando la altura manométrica total es de 40 m.
Suponer que la bomba funciona a nivel del mar y a una temperatura de 25 ºC.
Solución:
1. Nótese que haciendo NPSHR = NPSHA, la ecuación 6.14 puede escribirse como la
ecuación 6.15.
σ =
NPSH R
= cons tan te
Ht
(6.14)
2
Pvapor
Vs
P
+ atm −
hs − h fs − ∑ hms −
2g
γ
γ
σ =
Ht
(6.15)
Como Hs puede sustituir a los cuatro primeros términos del numerador, la ecuación
resultante es:
σ =
Hs +
Patm
γ
+
Pvapor
γ
(6.16)
Ht
Entonces
Patm
Hs = σ Ht −
γ
+
Pvapor
γ
Hs = σ Ht −
Ht
Patm
γ
+
Pvapor
γ
2. Introduciendo los valores conocidos y resolviendo para Hs:
σ
Ht
Patm
Pvapor
γ
=
=
=
=
=
0.3
40 m
101.3 kN/m2 a 25 ºC
3.17 kN/m2 a 25 ºC
9.78 kN/m3 a 25 ºC
101.3 kN / m 2 3.17 kN / m 2
+
H s = 0.3 × (40 m) −
9.78 kN / m 3 9.78 kN / m 3
121
Búsqueda por palabra
= 12.0 m − 10.0 m = 2.0 m
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Como el valor de Hs es positivo, la altura existente en la boquilla de entrada respecto
al eje del rodete de la bomba debe de ser de 2 m. Por tanto, el eje del rodete debe
situarse a un mínimo de 2 m por debajo del nivel del agua en el pozo de succión.
122
Búsqueda por palabra
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BIBLIOGRAFÍA
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140, USA. 1992.
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VIESSMAN, W. AND HAMMER M., “Water supply and pollution control”, Harper
Collins College Publishers, pp. 860, New York, 1993.
123
Búsqueda por palabra
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Tabla de conversión de unidades de medida al Sistema Internacional de
Unidades (SI)
OTROS SISTEMAS
DE UNIDADES
UNIDAD
LONGITUD
Pie
Pulgada
PRESIÓN/
ESFUERZO
Kilogramo
fuerza/cm2
Libra/pulgada2
Atmósfera
metro de agua
Mm de mercurio
Bar
FUERZA/ PESO
Kilogramo fuerza
MASA
Libra
Onza
PESO
VOLUMÉTRICO
Kilogramo
fuerza/m3
Libra /ft3
POTENCIA
Caballo de
potencia,
Horse Power
Caballo de vapor
VISCOSIDAD
DINÁMICA
Poise
VISCOSIDAD
CINEMÁTICA
Viscosidad
cinemática
ENERGÍA/
CANTIDAD DE
CALOR
Caloría
Unidad térmica
británica
TEMPERATURA
Grado Celsius
SISTEMA INTERNACIONAL
DE UNIDADES (SI)
SE CONVIERTE A
UNIDAD
SÍMBOLO
SÍMBOLO
MULTIPLICADO
POR
pie, ft.,‘
plg., in, “
0.3048
25.4
metro
milímetro
m
mm
kgf/cm2
98,066.5
Pascal
Pa
2
lb/ plg ,PSI
atm
m H2O (mca)
6,894.76
98,066.5
9,806.65
Pascal
Pascal
Pascal
Pa
Pa
Pa
mm Hg
bar
133.322
100,000
Pascal
Pascal
Pa
Pa
kgf
9.8066
Newton
N
lb
oz
0.453592
28.30
kilogramo
gramo
kg
g
kgf/m3
9.8066
N/m3
N/m3
lb/ft3
157.18085
N/m3
N/m3
CP, HP
745.699
Watt
W
CV
735
Watt
W
μ
0.01
Mili Pascal
segundo
mPa.s
ν
1
Stoke
m2/s (St)
cal
4.1868
Joule
J
BTU
1,055.06
Joule
J
°C
tk=tc + 273.15
Grado Kelvin
Nota: El valor de la aceleración de la gravedad aceptado internacionalmente es de 9.80665 m/s
124
Búsqueda por palabra
2
K