REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA BOLIVARIANA NÚCLEO BOLÍVAR EXTENSIÓN CAURA CÁTEDRA: DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO ING-CIV-8S-D-02
SISTEMAS DE TUBERÍAS
Prof.: Maita, Gustavo
Bachilleres: Medina, Moisés CI: V-21.124.912 Meneses, Delvis CI: V-20.840.587 Portuguez, José CI: V-20.013.580
Ciudad Guayana, Julio de 2015
TABLA DE CONTENIDO PÁG. Introducción .............................................................................................................2 1.
Bombas en paralelo .......................................................................................3 i)
Ventajas
ii)
Desventajas
2. Bombas en serie ................................................................................................4 i)
Ventajas
ii)
Desventajas
3. Componentes de los sistemas de bombeo ..................................................... 6 i)
Instalaciones del lado de succión. Sistemas pozo/ tanque de succión
ii)
Instalaciones del lado de descarga
iii)
Instalaciones para pozos subterráneos
4. Conclusiones ...................................................................................................13 5. Referencia bibliográfica y documental .......................................................... 14
1
INTRODUCCIÓN
La existencia de fuentes de abastecimiento de agua a elevaciones inferiores a los sitios de consumo, obligará a estudiar alternativas de bombeo que mediante análisis económico permitan la solución más ventajosa. El dimensionamiento adecuado del sistema de tubería resultara un costo menor del ciclo de vida del sistema de bombeo. Esto requiere la búsqueda del balance óptimo entre los costos de la bomba y de instalación. Hay casos en que las necesidades de un sistema exigen que varíe la presión o el caudal, así como los requerimientos de succión y descarga; para ello se emplea el uso de bombas en serie o en paralelo y con ello aumentar la eficiencia de dicho sistema. En el primer caso se suman las cargas a la misma capacidad, mientras que en el segundo se suman las capacidades y operan a la misma carga. Asimismo, anteriormente se creía que las aguas subterráneas procedían del mar y habían perdido su salinidad al filtrarse entre las rocas. Hoy se sabe que es agua procedente de la lluvia. Las aguas subterráneas forman grandes depósitos que en muchos lugares constituyen la única fuente de agua potable disponible. A veces, cuando circulan bajo tierra, forman grandes sistemas de cuevas y galerías. En algunos lugares regresan a la superficie, brotando de la tierra en forma de fuentes o manantiales. Otras, hay que ir a recogerlas a distintas profundidades excavando pozos. Cada uno de los puntos ya mencionados serán explicados de una forma más amplia en el presente trabajo.
2
SISTEMAS DE TUBERÍAS
1. BOMBAS EN PARALELO
Las bombas en paralelo consisten en colocar dos o más bombas a aspirar desde un mismo lugar, con el propósito de aumentar el caudal de entrega. El acoplamiento de dos o más bombas en paralelo se justif ica cuando se trata de satisfacer las necesidades o demandas de agua, variables en el tiempo, como en sistemas de riego, o en redes de distribución de agua potable. El empleo de una sola bomba, para satisfacer los consumos altamente variables con el tiempo, sería factible pero antieconómico, puesto que aquella tendría que trabajar con eficiencias muy bajas, correspondientes a los distintos puntos de funcionamiento, por lo que poniendo en marcha de forma progresiva los grupos necesarios según el consumo, se logra mantener el rendimiento dentro de márgenes razonables.
i)
Ventajas
El suministro de agua, variable según la demanda, demanda, puede puede garantizarse garantizarse por medio de una progresiva entrada en funcionamiento de distintos grupos de bombas, conformado por bombas acopladas en paralelo.
Con esta configuración se logra logra aumentar aumentar el caudal de entrega entrega ya ya que dos o más bombas en paralelo permite extraer el fluido de la misma fuente de entrada y enviarlo a un colector común para hacerlo llegar a todo el sistema.
Mantiene el rendimiento dentro de márgenes razonables sin provocar que las bombas operen muy lejos de su punto óptimo de eficiencia.
Cuando múltiples bombas bombas operan continuamente continuamente como parte de un sistema de bombeo en paralelo, puede haber oportunidades para conseguir un ahorro de energía significativo. 3
Las bombas bombas en paralelo proporcionan proporcionan buena flexibilidad de operación en sistemas dominados por la altura.
ii)
Desventajas
Como se se mencionó mencionó anteriormente, anteriormente, las las bombas bombas en paralelo paralelo proveen proveen buena flexibilidad de operación en sistemas dominados por la altura, aun así, no resultan tan efectivas en sistemas dominados por la fricción.
Las pérdidas por fricción originan una mayor presión de descarga, descarga, se reduce el caudal proporcionado por cada bomba, y se altera la eficiencia de estas. Adicionalmente, se requiere más energía para transferir un volumen de fluido dado.
Agregar una segunda segunda bomba duplica la capacidad del sistema, sistema, sin embargo, conforme ocurre un flujo volumétrico más grande en el sistema de tubería, se crear una carga mayor, lo que hace que cada bomba envíe menos flujo.
Se debe tener en cuenta cuenta que la operación de dos bombas idénticas en en paralelo no dobla el caudal, por lo que es aconsejable evitar la operación de dos bombas acopladas de esta forma cuando una bomba simple pueda cumplir con los requerimientos del sistema.
Su uso además se limita limita para caudales controlados es decir decir bajo presiones similares y controladas.
2. BOMBAS EN SERIE
Este tipo de acoplamiento se emplea en casos en los cuales se desea elevar un mismo caudal a distintas alturas, o para impulsar un determinado caudal, venciendo grandes resistencias debidas a grandes longitudes de las conducciones. El acoplamiento de bombas en serie más frecuente la constituye la disposición de N rodetes idénticos en una bomba multicelular. 4
Además, cuando hay que suministrar alturas elevadas y existe limitación de diámetros (por ejemplo, bombas en pozo profundo) el acoplamiento en serie resulta de gran interés. Si se emplea una bomba de rodete único para impulsar agua desde un pozo hacia una altura relativamente grande, aquella deberá tener un diámetro de rotor grande, y así, también, grande sería la bomba y la tubería de aspiración, por lo cual el diámetro del pozo sería grande.
i)
Ventajas
A través del acoplamiento en serie de las bombas bombas se logra logra solventar distintos problemas originados por el empleo de una sola bomba para grandes alturas entre ellas un mejor rendimiento.
Éste método método permite permite operar operar contra contra cargas cargas inusuales, inusuales, por lo que se alcanza una mayor altura de elevación ya que el caudal que descarga la primera bomba es captado por la segunda y el que ésta descarga es impulsado por la siguiente.
No es necesario que las bombas conectadas en serie serie sean sean iguales.
Las bombas en series obtienen las las grandes alturas con rodetes de tamaño tamaño reducido y un número específico de revoluciones más elevado por cada rodete en comparación con un único rodete trabajando en el mismo punto.
ii)
Desventajas
Se debe tener mayor mayor cuidado cuando se acoplan acoplan bombas diferentes, ya ya que no todas las zonas serán efectivas, o resultarán beneficiosas.
Resulta imposible garantizar que todas las bombas acopladas en serie funcionen en sus puntos de máximo rendimiento.
En el transporte de aguas residuales este modo de funcionamiento solo se aplica en casos muy raros.
5
3. COMPONENTES DE LOS LOS SISTEMAS SISTEMAS DE BOMBEO i)
Instalaciones del lado de succión. Sistemas pozo / tanque de succión. La línea de succión se refiere a todas las partes del sistema de flujo, desde la
fuente del fluido a la entrada de la bomba. La instalación en el lado de succión de la bomba es crítica para la confiabilidad de la bomba y del sistema. La tubería del sistema debe contar con un número de consideraciones de diseño que proporcionen:
Flujo continuo del líquido.
Perfil de flujo completamente desarrollado (evita interrupciones
próximas a la succión).
Una Carga Neta de Succión Positiva (NPSH) disponible.
La velocidad del líquido en la tubería de succión no debe exceder la velocidad en entrada de la succión de la bomba. Si el tubo de la succión es más largo que la conexión de la succión, no será posible una mayor velocidad en la tubería debido a que una tubería más larga reduce la velocidad en un caudal asignado. Los servicios con temperaturas altas también pueden requerir un tamaño más grande de tubería para reducir la fricción y reducir la NPSH (Carga Neta de Succión Positiva) disponible. Es recomendable una velocidad de 3 a 10 pies por segundo (2.1 a 6.8 metros por segundo); preferentemente que el flujo esté por debajo de los 7 pies por segundo (4.8 metros por segundo). Se debe evitar velocidades de más de 15 pies por segundo (10.2 metros por segundo). Si el líquido bombeado está cerca de su punto de ebullición, la velocidad no debe exceder los 3 pies por segundo (2.1 metros por segundo). A menos que se sepa que el fluido es muy limpio, debe instalarse un filtro en la entrada o en cualquier lugar del tubo de succión, con objeto de mantener las partículas fuera de la bomba y del proceso en el que se distribuirá el fluido. Una válvula de pie en la entrada permite el libre flujo hacia la bomba, pero cesa si la 6
bomba se detiene. Esto mantiene una columna de líquido sobre la bomba y elimina la necesidad de iniciar la bomba cada vez que arranca. Si se emplea una válvula cerca de la bomba, es preferible que sea una válvula de compuerta, pues ofrece muy poca resistencia al flujo si está abierta por completo. Aunque el tamaño del tubo para la línea de succión nunca debe ser más pequeño que la conexión de entrada sobre la bomba, puede ser algo mayor para reducir la velocidad de flujo y las perdidas por fricción. La alineación de la tubería debe eliminar la posibilidad de que se formen burbujas o bolsas de aire en la línea de succión, porque esto haría que la bomba perdiera capacidad y tal vez el arranque. La tubería larga servirá cuando se incremente la NPSH disponible y reducirá las pérdidas de presión por fricción. En algunos casos como cuando se manejan sustancias como lodo o en las columnas de bomba vertical, se debe mantener la velocidad mayor a los 3 pies por segundo (2.1 metros por segundo) para evitar el asentamiento (en el caso del lodo) o para asegurar que los sólidos suspendidos sean llevados hacia arriba en la columna (en el caso de la bomba vertical). Las tuberías largas deben tener pendiente hacia arriba, en dirección de la bomba. Debe evitarse los codos en un plano horizontal. Si se requiriera un reductor, debe ser del tipo excéntrico. Los reductores concéntricos sitúan parte de la línea de suministro sobre la entrada de la bomba, donde podría formarse una bolsa de aire. La línea de succión debe estar libre de bolsas de aire ya que pueden ocasionar pérdidas en el cebado o retrasar el bombeo una vez que la bomba arranque. La configuración de la tubería y de los accesorios de la succión debe considerarse para minimizar las perdidas por fricción. La tubería de succión debe estar diseñada con una longitud recta de entre 4 a 10 diámetros antes de la conexión de la succión de la bomba. En caso de que la longitud no sea posible, se pueden instalar álabes enderezadores o difusores para asegurar un flujo uniforme. No debe haber más de un giro perpendicular de 90º cerca de la conexión de succión de la bomba para evitar un remolino, esto ocasionará daños a la bomba 7
como ruido excesivo y cavitación. Si se requiere de giros múltiples, los giros deben ocurrir en el mismo plano para ayudar al “enderezamiento” del flujo en la succión de
la bomba. Para las bombas múltiples en un sistema común, cada bomba debe tener sus propias líneas de succión que provengan de la misma fuente o tubo colector, más de uno de los tubos de succión pueden ocasionar que la bomba quede sin alimentación. Ninguna tubería debe estar por debajo de la brida de succión de la tubería. En el suministro de succión, la tubería de succión debe estar correctamente sumergida por debajo del líquido de la superficie para evitar vórtices y entradas de aire que pueden extenderse a la bomba.
ii)
Instalaciones de lado de descarga
La tubería de descarga en un sistema de bombeo no causa efectos en el desempeño de la bomba, únicamente la perdida en la carga que genera. El diseño óptimo en la tubería de descarga minimiza los costos de instalación y operación. Los accesorios y tuberías de tamaño inferior ocasionan velocidades altas, incrementos de presión y pérdidas de energía. Si se dimensiona un sistema de tubería muy grande, se incrementan los costos iniciales de la tubería y de los accesorios. El tubo de descarga, las válvulas y los accesorios deben ser por lo menos del mismo diámetro que la conexión de descarga de la bomba (generalmente más larga), o dimensionarse conforme a buenas prácticas de industrias. En general, la línea de descarga debe ser tan corta y directa como sea posible, para minimizar la carga sobre la bomba. Los codos deben ser de tipo estándar o de radio largo, si fuera posible. Debe seleccionarse el tamaño de la tubería de acuerdo con la velocidad o las perdidas por fricción permisibles.
8
Con base en el ideal de minimizar las pérdidas de energía se recomienda tamaños grandes y velocidades bajas. No obstante, otras consideraciones acerca del costo y lo práctico de la instalación podrían llevar a selección tuberías más pequeñas. Con el resultado de velocidades más elevadas. La línea de descarga debe contener una válvula cerca de la bomba para permitir que se dé servicio a ésta o se reemplace. La válvula actúa con la que está en la línea de succión para aislar la bomba. Por razones de resistencia baja, es preferible una válvula de mariposa. Si el flujo debe regularse durante el servicio, es mejor emplear una válvula de globo porque permite un estrangulamiento suave de la descarga. En efecto, esto incrementa la carga del sistema y ocasiona que disminuya la entrega de la bomba. Es posible agregar los elementos que requiera una línea de descarga. Una válvula de alivio de la presión protegerá la bomba y al resto del equipo, en caso de un bloqueo del flujo o falla accidental de una válvula. Una válvula de verificación impide que el flujo regrese a la bomba cuando no esté en funcionamiento. Debe colocarse una válvula de verificación entre la válvula de apagado y la bomba. Si se emplea una expansión para el puerto de descarga de la bomba, debe colocarse entre la válvula de verificación y la bomba. Podría ser necesario instalar una llave en la línea de descarga para un medidor con su válvula de apagado. Un grifo de muestreo permitiría extraer una cantidad pequeña de fluido para realizar pruebas sin interrumpir la operación.
iii)
Instalaciones para pozos subterráneos La obra de captación de una fuente subterránea está constituida por el pozo o
la galería de infiltración. Un pozo eficientemente diseñado debe ser capaz de permitir la utilización de los recursos naturales del acuífero en toda su amplitud. Por ello, un buen diseño de pozos dependerá en gran parte de la cantidad de datos disponibles. De no disponer de suficiente información, cualquier nuevo pozo será puramente tentativo y diseñado sin bases ciertas.
9
Cada diseño de un pozo puede considerarse como un caso particular y cambiará de acuerdo a la naturaleza y condiciones del acuífero, ya que las condiciones hidráulicas determinantes pueden pueden ser distintas en uno y otro caso. Si se desea extraer un caudal Q, será necesario que el acuífero sea capaz de producirlo, pero adicionalmente deberá disponerse del equipo de bombeo capaz de extraerlo, por lo que no se debe olvidar que la extracción de un caudal estará definido por el equipo de bombeo a instalar, y en ellos son factores determinantes el diámetro del impulsor, el número de impulsores y la velocidad de rotación de los mismos. Esto obliga a seleccionar un diámetro de la perforación capaz de albergar al equipo apropiado, con lo cual se debe suponer cierta holgura para satisfacer su instalación sin riesgos de estreches o atascamientos por deficiencias en la verticalidad del pozo. El diámetro del pozo deberá seleccionarse en función del volumen del agua requerido, tomando en cuenta las características del acuífero y el equipo de perforación a utilizar. Normalmente, se considera que un diámetro de 2 pulgadas mayores es suficiente para permitir cierta flexibilidad y absorber cualquier desviación en la verticalidad del pozo que pueda ocasionar inconvenientes. La profundidad a dar al pozo definitivo en la mayoría de los casos se hace hasta la profundidad total del espesor del acuífero. Esto lógicamente si se quiere aprovechar al máximo su capacidad, ya que con ello se logra mayor capacidad especifica. En algunos casos resulta necesario antes de hacer la perforación llenar el fondo con material impermeable hasta la profundidad deseada, apisonándolo en capas a fin de evitar que ocurra asentamiento de la rejilla, todo ello debido a que algunas veces el agua de los estratos inferiores es de mala calidad.
10
En el diseño de una empacadura de grava, debe entenderse que existe una relación de importancia entre la gradación de la grava y la abertura de la rejilla a utilizar, de forma tal que prevenga el pase de arena. En este caso, la selección de la abertura de la rejilla debe ser para retener la grava y ésta, a su vez, debe ser capaz de retener el material de la formación. Existen distintos factores a considerar en la selección del material y tipo de rejilla con el fin de ofrecer la durabilidad que un periodo de diseño económico le impone a la obra de captación, ellos son los siguientes:
El grado de mineralización del agua, lo cual refleja su carácter corrosivo o incrustante: En presencia de aguas con carácter corrosivo, debe seleccionarse un material que soporte bien la corrosión, ya que estas aguas provocara una destrucción más rápidas en las zonas más débiles de la captación, y en cualquier aumento en una abertura contribuirá al pase de material granular (arenas) no previstos en el diseño, por lo cual un pozo puede convertirse en un terreno pasador de arena y arruinarlo de por vida. El grado de severidad de la corrosividad permitirá seleccionar un material con mayor o menor resistencia a esta acción destructora, tomando en cuenta los costos de las rejillas.
La presencia de película bacteriana: Pueden ocasionar obstrucción del área libre de captación mediante la formación de masas gelatinosas, como consecuencia de sus procesos vitales mediante la oxidación del hierro y manganeso disuelto en el agua. Algunas de tales bacterias no patógenas son las bacterias ferruginosas, sulfurosas y manganésicas.
La resistencia estructural impuesta por condiciones de esfuerzos a los cuales puede estar sometida la rejilla: Una rejilla generalmente se encuentra sometida a esfuerzos de compresión y a esfuerzos de presión lateral, pero a veces puede también estar sometida a esfuerzos de tensión, como es el caso de rejillas en posiciones intermedias en la longitud total del pozo.
11
Las personas que usan agua subterránea encontrarían más fácil obtenerla si el nivel en el acuífero el acuífero que suministra al pozo, se mantuviese siempre al mismo nivel. Las variaciones de la lluvia que ocurren durante las diferentes estaciones del año y las ocasionales sequías, afectan la altura del nivel del agua subterránea. Si se bombea un pozo a velocidad mayor con la que su acuífero se recarga ya sea por precipitación pluvial u otro tipo de flujo de agua subterránea, entonces los niveles del agua alrededor del pozo pueden ser más bajos. El nivel del agua en un pozo también puede bajar si a otros pozos existentes cerca del mismo, se les extrae demasiada agua. Cuando los niveles del agua bajan más que el nivel de bombeo, entonces los pozos empiezan a bombear aire y éstos se secan. En general los datos y características que se deben tener en cuenta para el diseño e instalación de un pozo subterráneo son los siguientes:
Diámetro de la perforación del pozo.
Diámetro de la tubería de revestimiento del pozo.
Profundidad de la perforación.
Rejillas a ubicarse en la zona del acuífero, acuífero, en caso de requerirse. requerirse.
De las rejillas deben definirse: definirse: longitud, diámetro, material de constitución y tipo.
Empaques de grava o rellenos estabilizantes, en caso caso de requerirse. requerirse.
Datos hidrometeorológicos que permitan determinar el balance balance hídrico de la zona.
Fotogrametría, topografía y cartografía básica, que permitan
determinar la ubicación de la captación y ocupación de áreas para efectos de expropiación o adquisición legal.
Mapas geológicos y datos que permitan determinar determinar el tipo de formación geológica y su litología.
Datos sobre puntos de agua: captaciones, vertientes, manantiales, manantiales, pozos profundos y pozos someros, con localización geográfica, datos hidrogeológicos y calidad del agua.
Datos sobre posibles fuentes de contaminación de los acuíferos.
12
CONCLUSIONES
En algunos casos, las las instalaciones de bombeo podrían tener tener una amplia gama de necesidades de carga o descarga y una sola bomba tal vez no podría satisfacerlas. En estas situaciones el uso de dos o más bombas, en lugar de una, permite que cada una de ellas opere en su mejor región de eficiencia la mayor parte del tiempo de operación.
Cuando se acoplan dos o más bombas bombas en paralelo, cada cada una de éstas éstas aspira el fluido desde un tanque o depósito común, para reunir sus respectivos caudales impulsados en una tubería de impulsión común para ellas. En este tipo de acoplamiento, el caudal total es la suma de los caudales individuales, y la altura total es constante e igual a la de cada una de las bombas individualmente.
En serie, la tubería de impulsión de una bomba bomba se constituye constituye en la tubería de aspiración de la siguiente unidad, por lo que el caudal bombeado, QB, es el mismo para todas ellas, y la altura del conjunto es la suma de las alturas desarrolladas por las bombas individualmente.
Además de las consideraciones consideraciones que se deben realizar con los diferentes componentes del sistema; el diseño y fabricación de la tubería de succión y de descarga debe cumplirse de acuerdo a las mejores prácticas, por lo que se considera importante que el diseño y fabricación de la tubería se realice bien desde la primera vez para evitar grandes y costosos errores a futuro. f uturo.
Los pozos son instalaciones que se utilizan desde hace siglos para alumbrar el agua subterránea con distintos fines, fi nes, principalmente riego y consumo humano. Esta gestión de pozos e instalaciones de captación de aguas subterráneas es un proceso que requiere de conocimientos de los requisitos legales y experiencia en la tramitación para una adecuada instalación.
13
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DOCUMENTALES
Arocha, S. (1979). Abastecimientos de agua. Teoría y Diseño. (2ª ed.). Caracas: Ediciones Vega. Energy Tips – Pumping Systems. (2006). Optimizando bombas centrifugas en paralelo.
[en
línea].
Consultado
el
03
de
julio
de
2015
en:
http://todoproductividad.blogspot.com/2011/06/optimizando-bombas-centrifugasen.html Giles, R.V. (s.f.). Mecánica de los Fluidos e Hidráulica. McGraw-Hill. Instituto Universitario de Tecnología Dr. Federico Rivero Palacio. (2008). Bombas Centrífugas.
[en
línea].
Consultado
el
03
de
julio
de
2015
en:
www.sistemamid.com/download.php?a=1198 Loera, F. (2008). Bombas en serie y paralelo. [en línea]. Consultado el 03 de julio de 2015 en: http://es.scribd.com/doc/34202981/bombas-en-serie-y-paralelo#scribd Mott, R.L. (2006). Mecánica de Fluidos. (6a ed.). México: Pearson Education, Inc. Pérez, M. (2011). Bombas en serie y en paralelo . [en línea]. Consultado el 03 de julio
de
2015
en:
http://www.academia.edu/6625553/bombas_e http://www.academia.edu/6625 553/bombas_en_serie_y_paralelo n_serie_y_paralelo Universidad
Nacional
de
Colombia.
(s.f.).
Funcionamiento
de
Bombas
Rotodinámicas. . [en línea]. Consultado el 03 de julio de 2015 en: http://www.bdigital.unal.edu.co/11934/51/3353962.2007.Parte11.pdf
14
