Capitulo 4. IV Estaciones de Bombeo

APUNTES DE INGENIERÍA SANITARIA I

ESTACIONES DE BOMBEO

IV. ESTACIÓN DE BOMBEO. 4.0 NOCIONES GENERALES SOBRE EL BOMBEO 4.1 INTRODUCCIÓN Cuando por las condiciones topográficas del terreno y de localización no es posible po sible utilizar la fuerza de la gravedad para distribuir el agua potable a una población, es necesario recurrir recurrir a medios artificiales para elevar el agua hasta la altura conveniente. conveniente. Para este fin se dispone de equipos elevadores llamadas BOMBAS y de equipos auxiliares que suministran el trabajo necesario para vencer la fuerza de gravedad denominados MOTORES. Sus funciones son las siguientes:

  

Elevar el agua desde la la fuente cuando está situada a elevaciones elevaciones inferiores a las las de la distribución. Para elevar el agua parcialmente parcialmente en el sistema mismo, cuando cuando las presiones mínimas mínimas no alcanzan los especificadas por las normas. Para elevar el agua hacia un tanque de almacenamiento, para luego distribuir el agua hacia la Red.

4.2 CARGA DE BOMBEO. BOMBEO. Carga de bombeo o carga total dinámica es la carga total contra la cual debe operar una bomba, o sea, la energía por unidad de peso de liquido que debe suministrarle la bomba al mismo para que pueda realizar el trabajo que se pretende.

Como sabemos, el movimiento del liquido a través de la tubería da origen a fricción, que resulta en una pèdida de energía, por consiguiente dicha fricción tiene que ser vencida por la bomba, además de la carga estática representada por la diferencia de nivel. Por consiguiente, la carga dinámica total se obtiene sumando los cuatro factores siguientes: a) La diferencia de nivel, que se conoce como carga estática o carga a elevación b) Las pérdidas de carga debidas a la fricción en las tuberías y accesorios c) La carga a velocidad a) La carga a presión

La carga estática (h), esta representada por la diferencia de nivel entre la superficie del líquido donde tiene que tomarlo la bomba y la superficie del liquido en el lugar de descarga véase la figura 4.1. Es la suma de la diferencia de niveles y las pérdidas de carga, o sea, Altura de succión, pérdidas de carga del lado de la succión, más altura de impulsión incluyendo las pérdidas de carga por fricción y por turbulencia. Figura 4.1)

Ing María Elena Baldizón Baldizón Aguilar.

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Figura 4.1 Carga Estática Perdidas por fricción (hf), las pérdidas de carga representan las pérdidas de energía como consecuencia de la resistencia que presentan las tuberías y accesorios a la circulación del líquido. La carga de pérdida varía con la cantidad de flujo, el tamaño y tipo; condiciones de la tubería y accesorios y el carácter del líquido bombeado así como los cambios de dirección y forma del área del flujo, se expresan en metros.

Carga La carga de velocidad, está representada por el término V 2 /2g generalmente, en la mayoría de los casos no se la toma en cuenta, porque su valor es muy pequeño: a no ser en casos especiales en que la velocidad es muy alta (y por consiguiente la fricción es alta también), o la carga total es muy pequeña y el volumen de agua bombeado es muy grande.  , está representada por la presión existente en la superficie del La carga a presión P/  líquido y se expresa por la longitud de la columna de liquido, equivalente a la presión existente.

Si la presión dentro del tanque se eleva hasta un punto fijo máximo, dicha presión será la que se usará para encontrar la carga a presión máxima contra la cual deberá operar la bomba. Esta carga a presión en pies o metros, deberá añadirse a la carga estática, la carga debida a la fricción y la carga a velocidad, para determinar determinar la carga dinámica total o carga total contra la que trabajará la bomba .

4.3 POTENCIA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO El conjunto elevador (moto-bomba) deberá vencer la diferencia de nivel entre los dos puntos, más las pérdidas de carga en todo el trayecto (pérdidas por fricción a lo largo de la tubería y pérdidas locales debidas a las piezas y accesorios).



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Donde: Q = Caudal (l/s) HT = Altura manométrica o carga dinámica total (m)  = Peso unitario del agua (1000 kg/m3)  = Eficiencia (70 – (70 –80 80 %)

4.4. PARTES QUE CONSTA UNA ESTACIÓN DE BOMBEO: La estación de bombeo está compuesta por equipo de bombeo, llamado así a la Bomba y el Motor, fundaciones , caseta, conexión de bomba o sarta y conexiones eléctricas. eléctricas.

4.4.1. DIFERENTES TIPOS DE BOMBAS PARA AGUA POTABLE. Las bombas se dividen en dos grupos, que son los siguientes: a) Bombas de desplazamiento desplazamiento positivo (directas). b) Bombas de desplazamiento desplazamiento no positivo (indirectas) o rotodinámicas. Al primer grupo pertenecen las bombas de pistón de acción reciprocante reciprocante o bombas reciprocantes reciprocantes y las bombas rotatorias. Las características principales principales de este grupo son: a) Que a una velocidad determinada la descarga (caudal) es en general fija e independiente de la carga de bombeo. b) Que la carga posible de bombeo puede aumentarse, dentro de los límites de resistencia de los materiales de que está construida la bomba, con solo aumentar la potencia del motor que la mueve y sin variar la velocidad de operación. Al segundo grupo pertenecen las bombas centrifugas o de rotor en hélice (flujo axial) y sus características principales son: a) Que a una velocidad determinada la descarga está en función inversa de la carga posible de bombeo, y es variable es decir que a mayor descarga, menor carga de bombeo y viceversa b) Que la carga de bombeo no puede aumentarse con sólo aumentar la potencia del motor, sino que hay que aumentar la velocidad o el diámetro del rotor para lograrlo. En ambos tipos o grupos de bombas la descarga de la bomba aumenta cuando aumenta la velocidad de trabajo de la misma.

4.4.1.1 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento movimiento mecánico. El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada solamente por la resistencia resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la bomba y la medida del volumen desplazado.



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Las bombas de desplazamiento positivo funcionan con bajas capacidades y altas presiones en relación con su tamaño y costo. Este tipo de bomba resulta el más útil para presiones extremadamente altas, para operación manual, para descargas relativamente bajas, para operación a baja velocidad, para succiones variables y para pozos profundos cuando la capacidad de bombeo requerida es muy poca.

Clases de bombas de desplazamiento positivo Hay dos clases de bombas de desplazamiento positivo: a) Las de pistón o reciprocantes, que desplazan el liquido por la acción de un émbolo o pistón con movimiento rectilíneo rectilíneo alternativo, o con movimiento de oscilación. b) Las rotatorias, en las cuales, el desplazamiento se logra por el movimiento de rotación de los elementos de la bomba.

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Bombas reciprocantes reciprocantes

En las bombas reciprocantes el pistón crea un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica. Como hace falta un espacio determinado de tiempo para que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón. Como se muestra en la figura 4.2. Debido a la resistencia friccional que se desarrolla en sus partes en movimiento, las bombas reciprocantes tienen una eficiencia relativamente baja; baja; las pérdidas en las correas, los engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles para dar un rendimiento bajo en proporción a la potencia suministrada por la unidad motriz.

Cuadro 4.1. Ventajas y desventajas de las bombas reciprocantes de pozo llano Desventajas - Alta presión disponible - Autocebantes (dentro de ciertos límites) - Flujo constante para cargas a presión variable - Adaptabilidad a ser movidas manualmente manualmente o por motor


Ventajas - Baja descarga - Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas - Muchas partes móviles - Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes - Succión limitada - Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada suministrada - Requieren un torque considerable para llevarlas a su velocidad - Flujo pulsante en la descarga


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Fig. 4.2 Bomba reciprocante o de pistón 

Fig. 4.3 Esquema de bomba reciprocante

Bombas Rotatorias

Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que consisten en una caja fija que contiene engranajes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actúan sobre el líquido atrapándolo en pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el dispositivo que rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Como se muestra en la figura 4.4. Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme, por el movimiento de rotación de los engranajes que es bastante rápido. Las bombas rotatorias se usan generalmente para aplicaciones especiales, con líquidos viscosos, pero realmente pueden bombear cualquier clase de líquidos, siempre que no contengan sólidos en suspensión. No obstante, debido a su construcción, su uso más común, es como bombas de circulación o transferencia de líquidos. Características principales: - Son de acción positiva - Desplazamiento rotativo - Flujo uniforme - Construcción compacta - Carga alta - Descarga relativamente baja - Velocidades de operación de moderadas a altas - Pocas partes móviles - Requieren toda la potencia para llevarlas a su velocidad de operación - Flujo constante dentro de ciertos límites para carga variable - Aspiración limitada

Ing María Elena Baldizón Aguilar.

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Las bombas rotatorias son generalmente fabricadas para capacidades que no exceden de 500 gpm (31.54 l/s) y cargas que no sobrepasan 500 pies (152.4 m).

Fig. 4.4 Bomba rotatoria de engranes externos Fig. 4.5 Bomba Rotatoria de dos tornillos

Fig.4.6 Bomba rotatoria de paletas deslizantes

Fig. 4.7 bomba rotatoria de leva y pistón

Usos más corrientes de las bombas de desplazamiento positivo: - Bombeo en pozos llanos - Bombeo en pozos profundos - Para niveles de agua variable - Bombas de incendio - Bombas de transferencia y circulación - Operación por molinos de viento - Altas cargas a presión - Alimentación de calderas - Bombeo de aceite y gasolina - Fumigadores de cosechas



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4.4.1.2 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO O ROTODINÁMICAS Características generales de las bombas no positivo Las bombas de este grupo son las que más se usan en las distintas aplicaciones y prácticamente han desplazado casi completamente a las bombas reciprocantes y rotativas por su adaptabilidad a las condiciones de servicio más diversas. Podemos decir que las bombas centrífugas, de flujo mixto y axiales se encuentran entre las máquinas que más se usan en la técnica moderna, paralelamente al motor eléctrico. Estas bombas transmiten la energía al líquido por la rotación del impelente. El impelente está provisto de una serie de alabes o paletas que son las que transmiten la energía y dirigen la circulación del líquido para lograr la transformación más efectiva de la energía mecánica suministrada por el motor en energía hidráulica, representada por la carga a presión a la salida y el volumen del líquido en circulación.

Clasificación de bombas de desplazamiento no positivo Este tipo de bombas consiste esencialmente en un impelente, rodete o rotor, colocado dentro de una caja y dispuesto de tal manera que cuando rota, le transmite energía al líquido bombeado, aumentando la presión y la velocidad del mismo. La caja de la bomba tiene una forma tal que transforma la carga a velocidad (energía en forma de velocidad) a la salida del impelente, en carga a presión a la salida de la bomba, ya que de esta forma el líquido puede vencer mejor la diferencia de nivel y la resistencia que ofrecen las tuberías a la circulación. - Bombas de flujo radial o centrífugas - Bombas de flujo diagonal o mixto - Bombas de flujo axial Generalmente las bombas incluidas en los dos primeros grupos se conocen en el mercado como bombas centrífugas. En comparación con las bombas de desplazamiento positivo, puede decirse que las bombas de desplazamientos no positivo suministran una carga pequeña y una descarga grande. Las bombas de desplazamiento variable se usan para grandes volúmenes donde se requiere una tasa de caudal constante (para transportar agua a través de los sistemas de tratamiento y distribución). La tasa de descarga de esas bombas varía de acuerdo con la carga (a medida que aumenta la elevación o carga, disminuye la producción de la bomba). Estas bombas no son autocebantes; por ello, dependen de la carga de succión positiva o de un sello hermético en la entrada de la bomba si el nivel del agua que se va a bombear está por debajo del impulsor de la bomba. El tipo de bomba de desplazamiento variable más común es la centrifuga.

Bombas Centrífugas Reciben el líquido que ha entrado por el tubo de aspiración en dirección axial a través de la parte central u ojo del impelente, y el impelente lo impulsa entonces en dirección radial,



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hacia afuera, absorbiendo el líquido de este modo, la energía, que producirá a la salida de la bomba la carga a presión correspondiente. Como se muestra en la figura 4.8. Los álabes de las bombas centrífugas, están dispuestos en forma radial con el objeto precisamente, de orientar el flujo en esa dirección. En la figura 4.9 podemos apreciar una bomba centrífuga accionada por un motor eléctrico. Las bombas más frecuentes utilizadas en los abastecimiento de agua son las bombas centrífugas Horizontales y Verticales y bombas sumergibles, accionadas con motores eléctricos.

Fig. 4.8 Bomba Centrífuga de motor eléctrico Fig.4.9 Esquema de una bomba centrífuga [ref. 15] Con el objeto de retardar la velocidad del líquido y transformar la carga a velocidad en carga a presión, se sitúan a veces en la caja, alrededor del impelente una serie de paletas fijas, que se conocen con el nombre de paletas directrices o álabes directores, y también como distribuidor o difusor. De este modo se forma una serie de conductos divergentes dentro de la caja. Las bombas centrífugas provistas de difusor se conocen como bombas tipo turbina como se muestra en la fig. 4.10.

Fig. 4.10. Bomba tipo Turbina [Ref. 21]


Fig. 4.11 Bombas centrífugas de una etapa (superior) y de dos etapas (inferior) [ref. 21]


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Las bombas centrífugas resultan elemento indispensable en las instalaciones de abastecimiento de agua para poblaciones, industrias, edificios, etc., en los sistemas de riego y drenaje, en los alcantarillados de aguas residuales, en los sistemas de acumulación de las estaciones hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de alimentación de calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda clase de líquidos, ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche, etc., en las instalaciones industriales. Los impelentes de las bombas centrífugas pueden ser: a) abiertos, si las paletas no tienen paredes laterales b) semicerrados, si el lado posterior del rodete está tapado por una pared c) cerrados, si los dos lados del impelente están provistos de paredes que tapen las paletas La figura. 4.12 muestra los tres tipos de impelentes (impulsores).

Fig. 4.12 Tipos de Impulsores Clasificación de las bombas centrífugas atendiendo diversos aspectos Son fabricadas en diferentes modelos , pueden ser seleccionadas tomando en cuenta los siguientes criterios: 1. Según el número de Impulsores Cuando una bomba centrífuga tiene un solo impulsor se dice que es de una sola etapa. Si tiene dos impulsores dentro de la misma caja y están colocados en serie, se dice que es de dos etapas; si tiene varios impulsores se dice que es de varias etapas o multicelular.



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2.Admisión del líquido. a) Radial ( tipo voluta y turbina) b) Diagonal. (Tipo Francis) c) Helicoidal. 3.Movimiento del líquido. a) Aspiración o succión simple (rotor simple). Con una simple entrada en de agua en un lado. b) Doble succión. Con el agua fluyendo hacia el impulsor simétricamente de ambos lados. 4.Tipo de rotor a) b) c) d)

Cerrados. Con tapas o paredes laterales que cubren los Semicerrados. Abiertos , sin tapas. Semiabiertos

pasos del impulsador.

5.Según la Posición del eje. a) Eje Horizontal. b) Eje vertical c) Eje inclinado.



Bombas Centrífugas Horizontales:

Son bombas cuyo eje horizontal que sirve de apoyo a uno o varios impulsores giratorio que generan el movimiento del agua, principalmente debido a la acción de una fuerza centrífuga. estas bombas se pueden ubicar en un sitio aparte del punto de captación, lo cual permite escoger una ubicación más favorable. Las bombas centrífugas horizontales se usan generalmente para aspirar de pozos llanos, en plantas de tratamiento, embalse pozos con niveles de bombeos altos, con la mayoría de las veces en fuentes superficiales y sub- superficiales, casi nunca con el nivel del agua a más de 20 pies (6.1 m) por debajo del centro del impelente, y desde luego con el límite máximo de aspiración que fija la presión atmosférica. Cuando se necesita extraer agua a mayor profundidad se usan bombas Presentan limitaciones en la carga de succión cuyo valor máximo teórico es el de la presión atmosférica del lugar. Su costo inicial es bajo, pero su eficiencia es del 60 al 70% su mantenimiento es más económico que el de pozo profundo. Las bombas centrífugas horizontales pueden verse en las figuras 4.10 y 4.11.



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


Bombas centrífugas verticales:

Para extraer el agua cuando se encuentra por debajo del nivel donde se puede extraer con la ayuda de la presión atmosférica (normalmente a profundidades mayores de 20 pies), se usan las bombas centrífugas verticales de pozo profundo. Estas bombas son del tipo turbina, y el cuerpo de la bomba, se instala por debajo del nivel del agua. También se les llama turbo bombas o bombas tipo pozo profundo: en realidad son bombas centrífugas cuyo eje es vertical y sobre el cual se apoya un determinado número de impulsores que elevan el agua por etapas.(Figura 4.13).

Fig. 4.13 Bomba Centrífuga Vertical y Bomba Centrífuga vertical de pozo profundo [Ref. 21 Y 15] En estas bombas la presión suministrada es la suma de la presión suministrada de cada elemento o tazón y las casas manufactureras confeccionan las curvas características para uno solo de los elementos y dejan a criterio del proyectista la elección del número de ellos, para vencer la carga total dinámica con la cual debe trabajar la bomba. Las bombas tipo turbina se utilizan en los pozos de agua cuando las cargas de elevación son grandes, se ubican directamente sobre el punto de captación por lo cual casi se limita su utilización a pozos profundos. La selección del equipo adecuado es similar al de los bombas de eje Horizontal con algunas consideraciones adicionales. Las bombas centrífugas resultan elemento indispensable en las instalaciones de abastecimiento de agua para poblaciones, industrias, edificios, etc., en los sistemas de riego y drenaje, en los alcantarillados de aguas residuales, en los sistemas de



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acumulación de las estaciones hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de alimentación de calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda clase de líquidos, ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche, etc., en las instalaciones industriales.

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Bombas de flujo diagonal o mixto

Se construyen dándole al impelente una forma tal que las paletas ya no quedan dispuestas en forma radial, esto se hace, sobre todo, cuando el caudal de la bomba es grande y el diámetro del tubo de aspiración también es grande , en relación con el diámetro que debe darse al impelente para producir la carga requerida. Cuando con un impelente de flujo diagonal o mixto se quiere obtener un caudal mayor, en relación con la carga suministrada al fluido, el diseño del impelente se modifica y se produce lo que se conoce como rodete de tipo helicoidal. Figura 4.14.

Figura 4.14 Impulsor de tipo helicoidal.

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Bombas de flujo axial.

Se constituyen cuando la carga de la bomba debe ser aún menor en relación con el caudal, que en los casos anteriores. El impelente de este tipo de bombas está provisto de paletas que inducen el flujo del líquido bombeado en dirección axial. En este tipo de bombas las paletas directrices se colocan en muchas ocasiones antes del impelente. Las figuras 4.15 y 4.16 nos muestran bombas de flujo axial. Estas bombas se usan para manejar grandes caudales de líquido contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y en ellas, no se puede hablar de fuerza centrífuga en la transmisión de energía a la corriente.



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Fig. 4.15 Bomba de flujo axial [ref. 15]

Fig. 4.16 Corte esquemático de una Bomba tipo Axial.

Se usan, principalmente para drenaje, riego, desde canales con pequeña diferencia de nivel, bombeo en salinas, etc. Las bombas axiales horizontales pierden mucho, si existe un codo en la succión o si tienen que trabajar con una carga de succión; es por eso que en la actualidad se usa más cada día en este tipo de bombas el montaje vertical con los impelentes sumergidos en el agua para evitar la succión, y la conexión a la planta de fuerza motriz a través de un cabezal de engranes en ángulo recto, dando de este modo una flexibilidad extraordinaria a la instalación. 

Bombas sumergibles.

Son bombas casi exclusivamente utilizadas en caso de pozos profundos y su denominación obedece a que tanto la bomba como el motor se sumergen en la fuente misma. Este tipo de bombas se conoce como bombas sumergibles (en realidad el que tiene la característica de trabajar sumergido en el agua es el motor diseñado especialmente). Como se muestra en la Fig. 4.17. En caso de pozos profundos, con niveles de bombeo muy bajos, es aconsejable recurrir a bombas tipo turbina de motor sumergido, como el mostrado en la figura 4.18. La ventaja primordial de las bombas de motor sumergido es la de la eliminación del largo eje impulsor y de sus dispositivos de guía que se necesitan en las bombas convencionales de turbina vertical, que son centrífuga.



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En caso de pozos profundos con niveles de bombas muy bajos, se dificulta o encarece la utilización de bombas tipo turbo-bomba y es aconsejable recurrir a bombas tipo turbina de motor sumergido. Para la selección de equipos sumergible hay que tomar en cuenta algunos aspectos: El motor debe estar ubicado de forma que el agua que penetra permita enfriamiento, por tanto no debe ubicase el motor debajo de los acuíferos. En virtud de que los impulsores generalmente giran a altos velocidades (3100 RPM), estos equipos sumergibles solo se recomiendan instalar en pozos bien desarrollados. Son equipos con eficiencia relativamente bajos, los costo de energía eléctrica se hacen mayores (60-80%).

Figura 4.17 Bomba turbina sumergible

Figura 4.18 Bomba sumergible

4.4.1.3 FUNDACIONES Y CASETA. Las fundaciones se diseña , en base al peso del equipo, carga total Dinámica y capacidad de soporte del suelo.



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La caseta de Bombeo debe ser ventilada y arquitectónicamente atractiva, de materiales que no requieran de mucho mantenimiento.

4.4.1.4 CONEXIÓN DE BOMBAS (SARTA). La conexión de las bombas requieren de una serie de accesorios complementarios para lograr un funcionamiento satisfactorio del equipo de Bombeo pueden ser los siguientes: Válvulas, supresores del golpe de ariete, Juntos, derivaciones, Manómetros, Niples, tuberías etc. Son elementos que integrados a la estación mantiene el control de las diversas condiciones de operación. A continuación, en la figura 4.19 se presenta una conexión típica de una Estación de Bombeo con Bomba tipo centrífuga de eje Horizontal.

Válvula de compuerta

Codo

Tubería de succión

Figura. 4.19. Conexión Típica de Bomba de Eje Horizontal Descripción de los accesorios. 

Pascón: Su propósito es impedir la penetración del material sólido, la entrada de la succión debe quedar bien sumergida, de lo contrario puede haber penetración



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de aire. Se debe proveer un área de paso (área total de agujeros) mínimo de 2 1/2 veces la sección del tubo. 

Válvula de pie: Cuando la bomba trabaja con altura de succión positiva, con el fin



de mantener siempre agua en el tubo, (Bombas centrífugas) Tubería de succión: Debe ser recta con el menor número posible de cambios de dirección.



Codos: Codo, de radio largo ., se pueden usar unido directamente a la brida de succión de la bomba (sólo en un plano vertical).



Reducciones , siempre que sean posibles, las reducciones deberán instalarse

directamente a la brida de la bomba, además tienen que ser excéntrica para evitar la formación de bolsas de aire que dañen a la bomba.  

Las ampliaciones en la descarga serán concéntricas.

Válvula de retención o de cheque: Se coloca junto al reductor en el lado de la descarga para proteger la bomba de los sobre presiones o golpe de ariete en la línea y para evitar rotación invertida en caso de escurrimiento en sentido contrario. La válvula de retención debe colocarse entre la bomba y la válvula de compuerta. Cuando sea necesario, debe considerarse una válvula de alivio para defender la instalación del golpe de ariete.

- Reduccio nes invertidas, ensachamientos (2), son concéntricas ya que no existe el

problema de la formación de las bolsas de aire.

- Medidores d e presión , al igual que en la tubería de succión se debe dotar a cada bomba de un instrumento para medir la presión de trabajo a la salida del equipo. - Válvu las d e admis ión y ex pul sión d e aire , se utilizan para expulsar el aire que pueda haber entrado a la tubería de impulsión mezclado con el agua o que está presente en ésta antes de comenzar su funcionamiento. Igualmente sirve para admitir aire en la tubería y romper así el vacío que pueda producirse dentro de ésta e impedir la falla por aplastamiento al producirse el cierre de las válvulas de compuerta. - Válv ula d e desc arga o d e lim pieza , sirven para iniciar el bombeo, vaciar la tubería y realizar labores de limpieza.



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Medidor de descarga , tiene la finalidad de medir el caudal bombeado y comprobar el rendimiento del equipo de bombeo, éste se debe colocar en un tramo de tubo recto cuya longitud sea cuando menos seis veces al diámetro del tubo.



Válvula de Alivio: Si el motor es de velocidad variable, para evitar el exceso de sobre presión se coloca en la línea de descarga. Para evitar mayor presión si la bomba opera a velocidad mayor que la velocidad de diseño.



Válvula de compuerta: Se coloca después de la válvula de retención en la tubería maestra por si la bomba se detiene; otra, del lado de la succión para descargar la unidad.



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4.4.2 TERMINOS Y DEFINICIONES UTILIZADAS EN EL BOMBEO. 

Presión Absoluta: Presión arriba del cero absoluto.



Presión Barométrica: Presión atmosférica de un lugar determinado, se mide sobre el suelo a través de un aparato llamado Barómetro.

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Presión Manométrica: o presión de carga que es la presión arriba de la presión atmosférica de la localidad donde se mide y se hace a través de un Manómetro. Carga Estática: Altura expresada en metros de agua de la columna que actúa sobre la succión (entrada) o descarga (salida) de una bomba

 

Carga Estática de succión: Si la bomba se encuentra bajo del nivel libre de bombeo entonces la distancia entre el nivel del líquido y el eje central de la bomba se denomina carga estática de succión.

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Carga Estática de la Descarga: Es la distancia vertical entre el eje central de la bomba y el punto de entrega libre del líquido.



Carga Estática Total: Es la distancia vertical entre los niveles de succión y descarga.



Elevación Estática de Succión: Si la bomba se encuentra arriba del nivel libre de bombeo, entonces la distancia del líquido a bombear y el eje central de la bomba, se llama elevación estática de succión.

4.5 CONDICIONES DE SUCCIÓN. La succión o aspiración consiste en la acción de atraer un líquido hasta la tubería o una cámara de bombeo, mediante la producción de un vacío parcial, esto es reduciendo la presión por debajo de la atmosférica. La presión atmosférica, sobre la superficie libre del agua contenida en un pozo, obliga al agua a subir y a desplazarse hasta aquella parte de la bomba en que se ha desarrollado una presión menor. Si el agua se halla en movimiento, la máxima altura de succión queda limitada por cuatro factores, a saber: presión atmosférica, presión de vapor, pérdidas de carga debidas a la fricción y carga exigida por la bomba misma a la entrada o presión residual mínima de entrada de las bombas (carga neta positiva de succión. CNPS).

a) La succión arriba de la bomba

b) la succión debajo de la bomba

Fig 4.20 Casos de carga estática.



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4.5.1 Presión barométrica La presión atmosférica varía de acuerdo con las condiciones de la atmósfera y la elevación sobre la superficie de la tierra (cuadro 4.2). En la práctica se supone que la atmósfera terrestre ejerce normalmente al nivel del mar una presión de 760 mm de mercurio equivalente a 10.33 m de columna de agua. Este valor debe ser corregido teniendo en cuenta la elevación sobre el nivel del mar a razón de 1.20 mpor cada 1000 m de nivel.

Cuadro 4.2 Presión atmosférica. ALTURA

PRESION BAROMETRICA

PIES METROS PIES 0.00 0.00 33.9 1000 304.80 32.8 2000 609.60 31.5 4000 1219.20 29.2 5000 1828.80 27.2 8000 2438.40 25.2 10,000 3048.00 23.4 15,000 4572.00 19.2

METROS 10.3 10.2 9.6 8.9 8.3 7.8 7.2 5.8

4.5.2. Presión de vapor: La presión de vapor del agua a la temperatura dada, se obtiene. que se presenta en el cuadro 4.3.

Cuadro 4.3 Presión de vapor

Temperatura Presión de vapor C Pies metros 16 0.60 0.18 19 0.80 0.24 22 0.9 0.27 24 1.10 0.34 27 1.2 0.37 32 1.6 0.49 38 2.2 0.67 66 8.8 2.67

4.5.3. La presión residual mínima de entrada: (CNPS ) CNPS: Es la presión disponible o requerida para forzar un gasto determinado (lts/seg, o gpm etc), a través de la tubería de succión al ojo del impulsor de la bomba se da en metros de agua equivalente a la presión (kg/cm 2) requeridas para forzar el líquido a la bomba. Es función de la construcción de la bomba y tiene por objeto evitar la cavitación y asegurar el correcto funcionamiento de la bomba, con la eficiencia prevista (Este dato figura en los catálogos y curvas características de las bombas).



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El valor de CNPS es característico de cada bomba, dependiendo del tamaño, forma y tipo de impulsores. Al seleccionarse un equipo de bombeo debe dejarse un margen de succión suficiente para compensar estos valores capaces de prevenir fallas por cavitación y succión requerida.

CNPS= pb - (Es + Pv + hfs) Donde: Pb = depende de la Altura del agua. Altura estática ( Es ) = Elevación del eje bomba - Elevación del Nivel de agua. Pv = Para Temperatura del agua en ºC Restando de la presión barométrica ( Pb ) que es el límite teórico máximo de la altura de succión, la suma de carga de entrada de la bomba ( CNPS ), la presión de vapor del agua a la temperatura dada y la pérdida de carga del lado de la succión, se obtiene la máxima diferencia permisible entre el nivel de bombeo y el eje de la bomba. Para información tipo general se hace notar que el máximo desnivel permisible es del orden de los 7 m. en el nivel del mar para bombas corriente y temperatura ambiente del agua.

Es =Pb - (CNPS + Pv + hfs)

Carga neta positiva de succión disponible (CNPS disp). Esta depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Es la carga neta positiva de succión (CNPS) calculada en base a las características y condiciones de operación de la bomba en el sitio de instalación. CNPS disp > CNPS. req.

Carga neta positiva de succión Requerida ( CNPS Req ). Es la CNPS que debe prevalecer para que un equipo de bo mbeo particular pueda operar satisfactoriamente. Es función del diseño de la bomba y un dato proporcionado por el fabricante.

Carga de sución positiva: CNPS = PB + Cest - (Pv + hf)

Figura 4.21 Carga de succión positiva Ing María Elena Baldizón Aguilar.


69



Carga de succión negativa: CNPS = Pb - (Ees + Pv+hf). CNPS = Pt - (Eest + Pv + hf),( m H 20 )

Figura 4.22 Carga de succión Negativa Las pérdidas de carga en la succión: Pueden ser determinadas a bases del gasto de bombeo (Qb), diámetro de la tubería de succión, distancia desde la maraca de succión y la entrada de las bombas y accesorios. Para los cálculos de las pérdidas se puede utilizar y fórmula de Hazen Williams y los métodos de carga de velocidad y/o de longitudes equivalentes (cuadros 43. y 4.4) a) La fórmula de Hazen Williams:

Hf  10.55 *

Q^1.85 * L C ^1.85 * D^ 4.87

Donde: Q = gpm., D = pulg. Q= gpm Hf= m, L=m. Hf  10.67 *

Q^1.85 * L C ^1.85 * D^4.87

D= m, Hf= m, Q= m3 /s L= m b) Pérdidas locales en los accesorios 

Carga de velocidad hf = K V2 2g

V= Q A

K = Long. equivalente p/cada accesorio. hf =pérdidas en los accesorios y tubería de succión.



70



Cuadro 4.3 Longitudes equivalentes mm

13

19

25

38 1 1/2

50

1

32 1 1/4

75,1

100

125

150

200

250

300

350

2

63 2 1/2

pulg

1/2

3/4

3

4

5

6

8

10

12

14

Radio Largo

0,3

0,4

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,6

2,1

2,7

3,4

4,3

5,5

6,1

7,3

Radio medio

0,4

0,6

0,7

0,9

1,1

1,4

1,7

2,1

2,8

3,7

4,3

5,5

6,7

7,9

9,5

Radio corto

0,5

0,7

0,8

1,1

1,3

1,7

2

2,5

3,4

4,5

4,9

6,4

7,9

9,5

10,5

Codos de 45

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

0,9

1,2

1,5

1,9

2,3

3

3,8

4,6

5,3

R/D: 1 1/2

0,2

0,3

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

1

1,3

1,6

1,9

2,4

3

3,6

4,4

R/D: 1

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,9

1

1,3

1,6

2,1

2,5

3,3

4,1

4,8

5,4

Curva de 45

0,2

0,2

0,2

0,3

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,9

1,1

1,5

1,8

2,2

2,5

Normal

0,2

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7

0,9

1,1

1,6

2

2,5

3,5

4,5

5,5

6,2

De borda

0,4

0,5

0,7

0,9

1

1,5

1,9

2,2

3,2

4

5

6

7,5

9

11

de compuerta

0,1

0,1

0,2

0,2

0,3

0,4

0,4

0,5

0,7

0,9

1,1

1,4

1,7

2,1

2,4

de globo

4,9

6,7

8,2

11,3

13,4

17,4

21

26

34

45,3

51

67

85

102

120

de ángulo

2,6

3,6

4,6

5,6

6,7

8,5

10,0

13,0

17,0

21,0

26,0

34,0

43,0

51,0

60,0

de pie

3,6

5,6

7,3

10

11,6

14,0

17,0

20,0

23,0

31,0

39,0

52,0

65,0

78,0

90,0

T. Liviano

1,1

1,6

2,1

2,7

3,2

4,2

5,2

6,3

6,4

10,4

12,5

16,0

20,0

24,0

38,0

T. Pesado

1,6

2,4

3,2

4

4,8

6,4

8,1

9,7

12,9

16,1

19,3

25,0

32,0

38,0

45,0

Directo

0,3

0,4

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,6

2,1

2,7

3,4

4,3

5,5

6,1

7,3

lateral

1,0

1,4

1,7

2,3

2,8

3,5

4,3

5,2

6,7

8,4

10,0

13,0

16,0

19,0

22,0

1,0

1,4

1,7

2,3

2,8

3,5

4,3

5,2

6,7

8,4

10,0

13,0

16,0

19,0

22,0

0,4

0,6

0,7

0,9

1,0

1,5

1,9

2,2

3,2

4,0

5,0

6,0

7,5

9,0

11,0

Elemento Codos de 90

Curva de 90

Entrada

Válvula

Retención

Te de Paso

Te de salida Bilateral Salida de tubería



71



Cuadro 4.4 Longitud Equivalente por accesorio Accesorio

Longitud equivalente

TEE

50 D

Codo 901

30 D

Codo 601

25 D

Codo 451

18 D

Y 451

60 D

Válvula de Globo

350 D

Válvula ángulo

180 D

Válvula Check

100 D

Válvula Mariposa

150 D

Reducción Exéntrica

6D

Expansión Concéntrica

12 D

4.6 CRITERIOS DE DISEÑO DE EQUIPO DE BOMBEO CON BOMBA CENTRÍFUGA DE EJE HORIZONTAL. 4.6.1 Número de unidades El número de unidades dependerá del gasto de bombeo y de sus variaciones, debiendo además suponerse un margen de seguridad, previendo equipos de reserva para atender situaciones de emergencia.

4.6.2 Gasto de Bombeo Para una velocidad determinada, el gasto lo define el diámetro del impulsor. En tal sentido cuando se tiene definida la productividad del acuífero, el diámetro de la perforación la fija el gasto de que es capaz determinado diámetro de impulsor. Para determinar el gasto de bombeo se debe tomar en cuenta el tiempo de bombeo y además, la vida útil del equipo lográndose así seleccionar equipos con capacidades acordes al tiempo real del servicio, utilizando la expresión siguiente: Qb * tb = CPD * 24 Cuando el tb = 16 horas  Qb = CMD.



72



4.6.3 Cálculo de la carga total dinámica o altura de Bombeo Es la carga contra la cual tiene que vencer la bomba, tomando en cuenta las diferencias de niveles de agua en la succión y la impulsión y las pérdidas por frición en tuberías y accesorios. Fórmulas: CTD = Hest. + Hf Hest: Carga Estática Total Hest= Hs + Hd 1. Carga estática o Elevación Estática de la Succión.(Hs): La carga de succión viene dada en la diferencia de elevación entre el eje de la Bomba y el nivel mínimo del agua en la fuente. 2. Carga de Impulsión (Hd): Diferencia de elevación o carga estática entre el nivel máximo de las aguas en el tanque y el eje de las bombas. 3. Pérdidas Totales(Hf): Es la sumatoria de las pérdidas en la succión y las pérdidas en la descarga. Hf = hfs + hfd 4. Pérdidas en la línea de descarga : Pérdidas en los accesorios, más las pérdidas en la tubería de descarga desdes la bomba al nivel de rebose del tanque. El diámetro de la descarga se debe realizar el estudio técnico económico sino utilizar la fórmula de Bresse, tomando en cuenta la velocidad (0.60 –1.5 m/s): Para n < 24 D = 1.3 1/4 XQ Donde: D = diâmetro en m. X= N 24

Q = m3 /seg

N = # de horas de bombas 5. Pérdidas en la Succión : Pérdidas en la columna de la bomba, más las pérdidas en los accesorios. Diámetro de la succión puede calcularse tomando en cuenta la velocidad de succión (0.600.90 m/s).



73



Longitud de la Tubería de succión: Se toma en cuenta desde la entrada a la bomba hasta el nivel mínimo tomando en cuenta la sumergencia. Sumergencia = 2.5 D. Succión + 0.10 1 Es la suma de la carga de succión más la carga de impulsión, afectado por las pérdidas de carga del lado de succión. Fijado el diámetro, la carga define la forma y el número de impulsores requeridos para una determinada velocidad de rotación.

4.6.4 Potencia hidráulica. Es la potencia consumida en la bomba solo para transferir el líquido. El trabajo útil desarrollado por una bomba , es equivalente al producto del caudal de bombeo por el producto de la carga total dinámica contra la cual funciona la bomba La medida de este trabajo se expresa como potencia hidráulica y viene dada en caballos de vapor (CV) Como un trabajo de de 75 Kg-m/s multiplicado por la altura manométrica expresada en metros y dividido por 75 permite obtener la potencia hidráulica generada por la bomba. PH= Q* H/ 75 Donde : Q: caudal de bombeo en lps H: carga total dinámica en m.

4.6.5 Potencia al freno o mecánica. Puesto que la máquina tiene una eficiencia menor del 100%, se requerirá una potencia mayor para impulsar la bomba . De este modo la potencia mecánica está dada por la expresión siguiente: PM = PHB/ef

4.6.6 Potencia eléctrica : Es la potencia requerida por el motor equivale a la potencia mecánica dividida por la eficiencia del motor. PE = PM/em.

4.6.7 Velocidad de Rotación: Tiene importancia en bombas verticales, toda vez que de ella depende el número de impulsores (Costo inicial) pero por otra parte altas velocidades influyen en la durabilidad y desgaste físico del equipo. A menor velocidad de las bombas menor desgaste de sus piezas y mayor duración

1

Jairo Alberto López Cualla. Diseño de Acueductos y Alcantarillados, Colombia.



74



4.6.8 Eficiencia. Es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada a la bomba. Esta puede variar con la potencia por razones de construcción, siendo más alta para máquinas más grandes. En general las eficiencias promedios cuando no se tienen las curvas de las bombas del fabricante se puede utilizar los valores de los cuadros 4.5 y 4.6.

Cuadro 4.5 Eficiencia de Bombas Centrifugas. ………………………………………………………………………………………………………………..

Q (l/s)

5

7.5

10

15

20

25

30

40

50

100

200

……………………………………………………………………………………………………………….

Eb(%)

52

61

66

68

71

75

80

84

85

87

88

………………………………………………………………………………………………………………..

Cuadro 4.6. Eficiencias de motores eléctricos. ………………………………………………………………………………………………………..

HP ½ ¾ 1 1½ 2 3 5 10 20 30 50 100 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Em(% ) 64 67 72 73 75 77 81 84 86 87 88 90 ……………………………………………………………………………………………………….

4.7 DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO DE POZO TIPO PROFUNDO. Para este caso, se emplean bomba centrífuga de eje vertical. Esta bomba tiene un impulsor de forma de turbina y por eso se le denomina bomba vertical de turbina. Las turbinas verticales son empleadas en pozos profundos o tanques de succión y deben instalarse directamente por encima del punto de succión a la diferencia de las bombas de eje horizontal. Está compuesta de abajo hacia arriba por un pascón, tubo de succión, cuerpo de bomba, columna y eje, cabezal de descarga y engranaje angular (opcional). El tubo de succión es del mismo diámetro de columna. El pascón es seleccionado por el fabricante de acuerdo al Q bombeado, también el diámetro del eje de acuerdo a los esfuerzos a que estará sometido por la operación y peso del equipo de bombeo. Por lo tanto para definir el Equipo de Bombeo, Bomba y Motor, se debe encontrar las características:

Bomba :  Caudal de bombeo  Número de unidades  Carga Total Dinámica.  Potencia de la bomba.  Diámetro máximo del tazón.  Velocidad de rotación de la bomba.  Diámetro y longitud de la columna. Ing María Elena Baldizón Aguilar.


75



Motor :  Potencia neta requerida.  Potencia nominal.  Velocidad de operación.  Energía.

4.7.1. Caudal de bombeo: El CMD a los 15 años, o de acuerdo al número de horas de bombeo.

4.7.2 Número de unidades: 1 reserva + 1 servicio, mínimo de 2 unid. 4.7.3. Carga Total Dinámica. Para el diseño del equipo de bombeo y cálculo de la Carga total dinámica se debe tomar en cuenta los datos siguientes:  Diámetro y Producción del pozo.  Nivel de Bombeo.  Carga estática.  Pérdida de carga en la línea de la bomba.

4.7.3.1. Diámetro de pozo :

Lo definirá el diámetro nominal de la bomba y limitará el gasto que una bomba dada es capaz de bombear.

4.7.3.2. Nivel de Bombeo : Es la suma del Nivel Estático del Agua más el rebajamiento del nivel al caudal de explotación, más la variación estacional y regional del nivel. Nivel de Bombeo = NEA + Rebajamiento + Variación estacional y regional.

4.7.3.3

Carga estática.

Carga estática en la descarga = Diferencia de elevación (N. Rebose tanque - N. Suelo pozo.

4.7.3.4 Pérdidas   

Pérdidas de carga en la columna = 5 % longitud de columna. Longitud de la columna = N.bombeo + Sumergencia (igual a 20 pies, según Normas) Pérdidas de carga en la línea de conducción.

Motor: El motor puede ser eléctrico o de combustión interna. La Potencia neta requerida esta gobernada por:



Potencia neta demandada por la bomba.



Pérdida por fricción mecánica de rotación del eje y pérdidas en el cabezal de descarga.



76



4.7.4 Potencia neta demandada por la bomba. PRB = Qb * CTD = H.P. 3960 * eB. Qb : gpm, CTD : pies, eb : efic. de la bomba en decimal Cuando una bomba no es conocida se asume una eficiencia de 0.75 a 0.80.

4.7.5. Potencia neta del motor Pm = (PRB /em) *1.2 El INAA tiene por norma usar un factor de 1.20 para calcular la H.P del motor =HPB * 1.20.

4.7.6 Diámetro máximo del tazón : El diámetro de la tubería del pozo menos dos pulgadas (2”).

4.7.7. Velocidad de operación de la bomba: Entre menor sea la velocidad de rotación de la bomba, menor será el desgaste de sus piezas y mayor su duración. Por razones de fabricación la velocidad casi siempre solicitada es 1760 rpm y sólo cuando no es posible se usan entre 2900 a 3450 rpm.

4.7.8. Diámetro y longitud de columna: La longitud se establece para que sumerja 20’ bajo el Nivel mínimo de bombeo. También se puede calcular como el 20 %( Longitud (prof.) del pozo menos N. Bombeo. El diámetro de la columna puede definirse de acuerdo a la tabla siguiente:

Q gpm 50 100 200 - 600 600 - 800 800 - 1200

Diámetro (pulg). 3” 4 6 7 8

4.7.9. Velocidad de Operación: Se acostumbra a usar la misma velocidad de operación de la bomba.



77



4.8. Conexión de bomba: El diámetro lo define el diámetro del medidor de acuerdo a la tabla siguiente : Q ( gpm ) < 80 80 < Q < 200 200 < Q < 400 400 < Q < 600 600 < Q < 1200 1200 < Q < 1600

Q ( pulg ) 2” 3 4 5 8 10

4.9. Válvula de Alivio : Como el diámetro inferior al de la Sarta: Q (gpm) Diámetro (pulg.) < 60 60 - 250 250 - 500 500 - 1000 1000 - 2000

1” 2” 3” 4” 6”

4.10. Velocidad de operación de la bomba. A menor velocidad de rotación de la bomba, menor desgaste de sus piezas y mayor duración. La mayoría de las bombas se fabrican para 700, 800, 1160, 1460, 1760, 2400 y 3450 RPM, según recomendaciones del INAA.

Caudales. 50 - 1200 gpm < 300 gpm

Velocidad 1760 rpm. 2900 - 3450 rpm.

4.11. Energía: Para motores de 50 HP y menores, se recomienda la energía 3/60/220 y para motores mayores 3/60/440. Para 3 y 5 HP se puede usar 1/60/110.

4.12. CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS A causa de las características variables de la bomba centrífuga, es importante tener una visión gráfica de las relaciones entre la carga, el caudal, la eficiencia, la potencia necesaria, etc., de la bomba de que se trate a una velocidad determinada. Estas curvas o gráficos generalmente se preparan por el fabricante. Las curvas que aparecen a continuación, figura 4.23, pueden considerarse típicas e ilustran las características de una bomba trabajando a una velocidad constante determinada.



78



Fig.4.23 Curvas Caracteríscas de una bomba [ref. 15] La curva de carga-caudal es la línea que desciende de izquierda a derecha, y representa las cantidades variables de líquido que la bomba puede entregar a distintas cargas o presiones. La intersección de esta línea con la línea de cero descarga, nos da la carga o presión que desarrolla la bomba cuando la válvula de descarga está cerrada. La curva que en este caso nos da la potencia necesario para operar la bomba, tiene la pendiente hacia arriba, de izquierda a derecha. En este caso el punto en que la potencia necesario tiene un valor menor, es el que corresponde a la válvula cerrada. La curva de carga-caudal es la línea que desciende de izquierda a derecha, y representa las cantidades variables de líquido que la bomba puede entregar a distintas cargas o presiones. La intersección de esta línea con la línea de cero descarga, nos da la carga o presión que desarrolla la bomba cuando la válvula de descarga está cerrada. La curva que en este caso nos da la potencia necesario para operar la bomba, tiene la pendiente hacia arriba, de izquierda a derecha. En este caso el punto en que la potencia necesaria tiene un valor menor, es el que corresponde a la válvula cerrada.

4.13 CURVA DE UN SISTEMA DE TUBERÍAS En la mayoría de las instalaciones importantes de equipos de bombeo, el flujo de diseño no es continuo; sino que existen variaciones diarias, mensuales y estaciónales en dicho flujo. De esta forma no resulta tan fácil, hacer una buena selección del sistema de tuberías y del equipo o los equipos de bombeo correspondientes. Es por eso que resulta preferible dibujar curvas del sistema de tuberías con las distintas posibilidades de diámetro a escoger y compararlas con las curvas de las bombas, superponiéndolas a éstas determinando así el punto de operación de cada bomba con cada sistema, y escogiendo; la combinación sistema-bomba que sea capaz de dar mayor caudal con menos potencia, y que se mantenga al mismo tiempo, dentro de las necesidades de variación de flujo previamente especificadas.



79



El punto donde se cortan la curva del sistema y la curva de la bomba, se llama punto de operación . Supongamos, que para una instalación de bombeo necesitamos un sistema de tubería de 2000 pies de longitud, que se desea pasar a través del sistema un flujo de 1000 a 1600 gpm y que la diferencia de nivel o carga estática es fija e igual a 40 pies, y que tiene que vencer además una carga a presión de 10 pies. Para hacer la selección de la combinación más adecuada de sistema-bomba es necesario preparar curvas del sistema para distintos diámetros y ver las distintas combinaciones de bombas-sistemas que producen el resultado deseado y analizar desde el punto de vista económico estas combinaciones. El primer paso es calcular las pérdidas por fricción para distintos caudales y diámetros de tubería seleccionados para el sistema, lo que podemos hacer en la forma siguiente:

Si no existiese carga estática o presión la curva del sistema de tuberías arrancaría de la carga cero, pero como la carga estática más la presión, en este caso, es de 50 pies, la carga que corresponde al flujo cero es 50 pies y la carga total para cualquier otro flujo resulta 50 pies, más las pérdidas por fricción correspondientes al diámetro de tubería instalado. Estas curvas se dibujan entonces, tal como aparecen en la figura 4.24. Cualquier otro sistema más complicado con codos, válvulas, etc., se dibuja de igual manera. Las curvas del sistema se colocan sobre las de las bombas y se obtiene el punto de operación por la intersección de la curva del sistema y la curva de carga-caudal de la bomba.



80



Fig. 4.24 Curvas De Varios Sistemas De Tubería [Ref. 15] En el caso que estamos analizando, la curva de la bomba, si el sistema seleccionado es el de 8”, deberá cortarse con la cur va del sistema en el punto A, o a la derecha de él para que resulte su operación satisfactoria. De igual modo deberá suceder con los puntos B y C , si el sistema seleccionado es el de 10” ó 12” respectivamente.

4.14 Selección de Bombas a través de Curvas. Como se ha mencionado anteriormente, para seleccionar una bomba, se deben de conocer los siguientes datos:

 Volumen de agua que ha de elevarse.  Carga positiva o negativa de la succión.  Carga necesaria para suplir la boca de descarga.  Variaciones de la carga total dinámica. Con estos datos deben seleccionarse las bombas que proporcionen mayor eficiencia. Es bueno recordar que en estas bombas: Las curvas de producción o de eficiencia de estas bombas dan una idea clara de su funcionamiento. Estas curvas son trazadas por los fabricantes con datos actuales en operación. (ver curvas de bombas en anexo)



81



La eficiencia en estos casos puede determinarse: E (eficiencia ) = Q (gpm)* carga( pies ) 3960 * CV Cada curva muestra las características de una determinada bomba y un determinado tamaño del impulsor. En general el cuerpo de una bomba puede utilizar varios impulsores y en consecuencia podría dibujarse curvas similares en cada caso.

4.15 PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA La manera en la que una bomba trabaja depende no sólo de las características de funcionamiento de la bomba, sino también de las características del sistema en el cual vaya a trabajar. Para el caso de una bomba dada, mostramos las características de funcionamiento de la bomba (h respecto a Q) para una velocidad de operación dada, normalmente cercana a la velocidad que da el rendimiento máximo. También mostramos la curva característica del sistema (es decir, la altura de bombeo requerida respecto a Q). En este caso, la bomba está suministrando líquido a través de un sistema de tuberías con una altura estática  z. La altura que la bomba debe desarrollar es igual a la elevación estática mas la pérdida total de carga en el sistema de tuberías (aproximadamente proporcional) a Q²). La altura de funcionamiento de la bomba real y el caudal son determinados por la intersección de las dos curvas. Los valores específicos de h y Q determinados por esta intersección pueden ser o no ser los de máximo rendimiento. Si no lo son, significa que la bomba no es exactamente la adecuada para esas condiciones específicas. El punto de funcionamiento o punto óptimo de una bomba solodinámica es el de la curva H Q que corresponde a un rendimiento máximo. Cuanto mas empinada se la curva H Q, mas significativo será el efecto de cualquier cambio de altura en el punto de funcionamiento. –


–


82



4.15 EJERCICIOS RESUELTOS. Ejemplo 1. Se requiere extraer por medio de una bomba centrífuga un Caudal Q = 200 gpm de un pozo de succión, para conducirlo hasta un reservorio elevado. Seleccionar para este caso una bomba de succión simple y un sólo paso, accionada por un motor eléctrico. La temperatura del agua = 27 ºC. La eficiencia de bomba = 75 %. Las elevaciones referidas al nivel medio del mar se indican en el gráfico.(4.25) 1065 pies

309.00 m

El 1000 pies = 304.80 m

Figura 4.25. Estación de bombeo CNPSD = Pb - ( Es + Pv + hfs ) Pb para 1000’= 304.80 m

= 32.8 pies = 10 m.

Es = 309.0 - 304.80 = 4.20 = 15’ = Pv para 27 oC = 1.20 pies

=

4.20 m.

0.37 m.

Método de longitud equivalente: Accesorios Válvula de pie de 4 Codo de 90o R. m. 4” Tubería = 20’

L equiv. = 23 = 2.80 = 6.09 31.89 m.

hf = 10.55 (200) 1.85 * 31.89 = 1.4 m. * 3.28 = 4.59’. 1001.85 * 44.87



83



CNPSdisp = 10 - (4.20 + 0.37 + 1.40) = 4.03 m * 3.28 = 13.21 pies.

Pérdidas en la descarga: Accesorios 1 válvula de retención 2 válvulas de comp. 0.20 * 2 2 codo de 90º 0.90 * 2 4.70 * 0.1305

L. equiv. = 2.50 = 0.40 = 1.80 = 0.61 m

Pérdida en tubería: 10.55 (200)1.85 x 200 = 8.92 m 1001.85 * (4)4.87 hfd = 9.53 m

Carga Total Dinámica: Carga estática hf succión hf descarga CTD =

= 1065 - 1000 = 65.00 pies = 4.59 pies = 9.53 m * 3.28 = 31.25 100.84 pies

Potencia requerida por la Bomba: BHP = 200 * 100.84 = 5.09 HP 3960

Potencia al freno: PF= BHP/ Eb De la tabla (4.5) , la Eb para un Q=52.84 l/s es del 85% P.F

= 5.09/.85= 5.98 = 6 HP

Potencia requerida por el motor: De la tabla (4.6), para una potencia = 6 HP la Eficiencia del motor (em) = 81.5% Pe = 6/ .815 = 7.36 == 7.5 HP. También se puede encontrar la potencia del motor de la siguiente forma: BHP = (200*100.84) / (3960 * 0.85) =5.99 HP Pm = 5.99* 1.2 = 7.19 HP Pm = 7.5 HP. (comercial)



84



Ejemplo 2: Seleccionar una bomba conveniente para elevar desde un pozo de 12” de diámetro y 90 m. de profundidad, un caudal de 31.5 lts/seg ( 500 gpm ) a un depósito elevado. El agua en el depósito tiene una altura de 38 m sobre la superficie de la tierra. El nivel normal de la línea piezométrica del agua subterránea es de 49 m por debajo de la superficie de la tierra y sufre durante el período de bombeo un abatimiento de 7 m. La carga por fricción entre el pozo y el depósito estimado es 10 m Solución: Diámetro del pozo = 12”. N.E.A = 49 m. Carga total dinámica (CTD) 1 ) Nivel de bombeo = N.E.A +Reb. + Varia.estac = 49 + 7 + 3 = 59 m. Hf columna = 5 % ( 65.09 ) = 3.25 m. Longitud de columna = 59 m + 6.07 = 65.07. Hf en línea descarga = 10 m. Carga estática = 38 m. CTD = 110.25 m. = 361.62 Pies H.P Bomba = HPB = 500 * 362 = 57.13 = 60 HP 3960 * 0.80 H.P Motor = 57.13 * 1.20 = 68.56 = 70 HP. Diámetro Columna = 6”. Velocidad de operación en la bomba: 1760 - 3450 rpm. Energía para motores > 50 HP: 3 / 60 / 440. Conexión de la Bomba: Diámetro del medidor: 400 - 600 gpm. ==> 5”, o sea, 6”, comercial. Válvula de alivio: Diámetro : 4”.



85



Ejemplo 3. Una localidad se abastece de un pozo cuyas características se indican a continuación: nivel estático 5.50 m, nivel de bombeo 31.00 m, profundidad 38.00 m, caudal 2.5 l/s, cota terreno 173.44 m, altura del estanque 19 m desde la superficie del terreno, periodo de funcionamiento 16 horas, como se muestra en la figura 4.26, la tubería utilizada en toda la obra es acero galvanizado (C=110). Se pide calcular las perdidas de carga de la tubería y la potencia de la bomba.

Fig. 4.26 Esquema del Problema. Datos: Nivel estático: 5.50 m Nivel de bombeo: 31.00 m Profundidad: 38.00 m Caudal: 2.5 l/s Cota terreno: 173.44 m Altura del estanque 19 m desde la superficie del terreno El bombeo es continuo durante16 horas (N )

Solución: 1. Diámetro económico de la tubería de bombeo (fórmula de Bresse)

D = 0.059 [m] = 2.32 [pulg] Diámetro comercial: 3 [pulg] = 0.0762 [m] 2. Perdidas de carga tubería del pozo al punto A. (Hazen-Williams) d = 2.5 l/s . 0.0025 m3 /s ; L = 45 m ; C = 110 ; D = 3”. 0.0762m 54.063.22785.0SDCQ···=

Diámetro comercial: 3 [pulg] = 0.0762 m



86



2. Pérdidas de carga tubería del pozo al punto A. (Hazen-Williams)

entonces la perdida de carga será, hf =S * L = 0.00749 [m/m] * 45 [m] = 0.337 m

3. Perdidas de carga tubería del punto A al tanque. (Hazen-Williams)

S = 0.00749 [m/m] Entonces la perdida de carga será  hf = S * L = 0.00749 [m/m] * 6650 [m] = 49.81 m

4. Calculo de la perdida de carga total (HT) H1 = (perdida de carga del pozo al punto A) + (perdida de carga del punto A al tanque) H1 = 0.337 [m] + 49.81 [m] = 50.15 [m] H2 = (cota terreno del tanque + altura del tanque) – (cota terreno del pozo) H2 = (194.44 [m] + 19 [m] – 173.44 [m] = 40 [m] HT = H1 + H2 + nivel de bombeo = 50.15 [m] + 40 [m] + 31 [m] = 121.15 [m] HT = 121.15 m

5. Calculo de la potencia de la bomba



87



Potencia = 6 H.P Se escoge una bomba con estas características: de 7.5 HP, con un caudal de 2.5 [l/s]. 40[gal/min]; y que tenga una altura total de carga de 121.15 [m] . 398 [pies]; se verifica que cumpla estos requisitos. Como se muestra en la figura 2.

Fig. 4.27 Curva Característica de la Bomba Seleccionada Ejemplo 4 Calcular las características del Equipo de bombeo y curva del sistema para elevar desde un pozo de succión un caudal de 321 gpm hacia la planta de tratamiento que se ubica a 97 m del mismo, (ver esquema), El nivel del suelo del pozo es de 26.0 m y la entrada de la planta es de 63.20 m. La temperatura del agua es de 25°C. 1. Datos Caudal de Bombeo

unidad gpm m³/s lps

valores 321 0,020 20,248

N. Suelo del pozo ( Ns)

m

26,00

Profundidad del agua (ha)

m

2,30

Elev Planta de Tratamiento

m

63,20

Longitud de la línea de conducción

m

97,00

C

150

Ø línea de impulsión.

m

4"

Temperatura del Agua

°C

25,00



88



Esquema de Bombeo hacia Planta de tratamiento.

Elev Planta 63.20 m CTD

L=970.0m, P.V.C. Ø4", SDR 26

72.9m

4

hest.

5

6

38.4 0.5 m

N.T.=26.00 m

3

0.2 m 1.0 m 0.5 m 0.3 m 0.5 m

10

9

N Ø6"

2.

8

7

ELEMENTOS DE LA SARTA

2

2.30 m

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

1

Pozo de succión Valvula de pie con coladera de Ø 6" Tubería de Succión de Ø 6" Válvula de Compuerta de Ø 6" Bomba Ampliación Concéntrica de Ø 6" a Ø 4" Válvula de Retención de Ø 4" Válvula de Compuerta de Ø 4" Línea de Impulsión PVC de Ø 4" Válvula de Compuerta de Ø 4"

Carga Total Dinámica y Potencia del Motor

Carga Total Dinámica hest=Carga estática Total hfd=Perdidas por fricción en la descarga Accesorios (1)Válvula de Retención de Ø 4" (2)Válvula de Compuerta de Ø4" ( 4)Tee de Ø 4" ( 4)Codo de Ø 4 x 90° (2) Codos de Ø 4" X 45ª pvc sub total, logitud equiv. Línea de Impulsión. (Leq total):Longitud equivalente total

hfd= Perdidas por fricción en la descarga Potencia de la Bomba ( Pb)

m ft m

94,41 309,65 38,40

CTD=hest+hfs+hfd Elev. Planta-Elev.mín agua

m m m m m m m m m pies pies

m Hp

6,4 34 6,7 3,4 1,5

6,40 68,00 26,80 13,60 3,00 114,80 970,00 1084,80 3558,14

hfd=(Q^1.85*10.67*L)/ (C^1.85*D^4.87)

181,36

P= (Q*CTD*1000 Kg/m³)/76

55,29 25,15

P=Pb*1.20 Potencia del motor


Hp

30,18


89


3.


Condiciones de Succión

Descripción Carga Neta Positiva de succión ha= Elevación de Entrada de la Bomba

unidad

datos

m m

fórmula CNPS= ha-( he+hv+hfs)

resultados 7,58 10,31

26 Elev de la bomba-elev. Min entrada agua en el pozo.

he: altura estática s= sumergencia

m

Elev de la bomba

m

Elev mínima agua en el pozo

m

he hv hfs=Perdidas por succión Accesorios

m

Válvula de Pie con pascón

m

39,00

Codo de Ø 6 x 90°

m

4,90

Válvula de compuerta de Ø 6"

m

1,10

total perdidas por accesorios

m

Longitud de tubería de succión

m

0,5

s=2.5* Dsucción+0.1 m

0,50

Elev terreno bomba+0.5

26,50

Elev de la bomba-1.20

24,80

1,70 0,32

m

(Leq total):Longitud equivalente total

pies pies

hfs=Perdidas por fricción succión Velocidad

45,00

05+0.3+0.5+1+0.2+0.4 Leq. Total=long.tub +hp accesorios hfs=(Q^1.85*10.67*L)/ (C^1.85*D^4.87)

m m/s

2,60 156,13 2,34

0,71 Q=V.A

0,64

Datos para la Curva del sistema. Q

DATOS PARA GRAFICO CTD Potencia de la bomba

gpm

pies

Hp

200

202,52

10,25

250

241,65

15,29

321

309,65

25,15

400

401,99

40,69

450

469,19

64,12



90



Curva del Sistema y Punto de Operación de la Bomba

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Design Flow: 320 US gpm

Type/Size 460_OSD_RV 2L2x3-10A/RV

Speed 3550

Dia 9.25


Head

Eff

NPSHr

Power

Motor

Frame

347

63

13.9

44.1

60

364TS


91



4.16 DEPRESIONES Y SOBREPRESIONES PELIGROSAS. 4.16.1 Cavitación. Un factor importante para el funcionamiento satisfactorio de una bomba es evitar la cavitación, tanto para obtener un buen rendimiento como para evitar daños en el impulsor. Cuando un líquido pasa por el impulsor de una bomba, se produce un cambio de presión. Si la presión absoluta de un líquido cae por debajo de la presión de vapor, se producirá cavitación. Las zonas de vaporización obstruyen el flujo limitando la capacidad de la bomba. Cuando el fluido avanza a una zona de mayor presión, las burbujas colapsan y su implosión puede producir un picado del impulsor la cavitación suele producirse con mas frecuencia cerca de la salida (periferia) de los impulsores de flujo radial y mixto, donde se alcanzan las velocidades mayores. También puede aparecer en la aspiración del impulsor, donde las presiones son menores. En el caso de las bombas de flujo axial, l parte mas vulnerable a la cavitación es el extremo de los álabes. Para las bombas se define el parámetro de cavitación como la vaporización local de un líquido debido a las reducciones locales de presión por la acción dinámica del fluido. Cuando la presión del líquido es mayor la bomba comienza a succionar burbujas de vapor con líquido, esto debe evitarse debido a que con el tiempo la bomba se desgasta y se rompe. Se sabe que una bomba tiene cavitación cuando tiene ruido excesivo, vibraciones muy fuertes (No debe ponerse en servicio la bomba). Si una bomba trabajan en Es excesiva, ó CNPS insuficiente puede originarse cavitación

La cavitación ocurre cuando: CNPS disp < CNPS req.

Pb < Hes (Es)



92



4.16.2 Golpe de Ariete. Se le llama golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado (presión) cuando el movimiento del fluido (líquido) es modificado. Ocurre cuando el bombeo es interrumpido bruscamente, la columna de agua escurrirá en sentido normal, ésta por acción de la gravedad, invierte el sentido del flujo viajando hacia la bomba. El cierre rápido y automático de la válvula de retención creará condiciones para que la presión en el punto más bajo, la sarta de la bomba, se eleve bastante, comprimido por la columna restante, y animada por el movimiento invertido en el sentido de arriba hacia abajo (T-bomba). Es la fase de sobre presión del golpe de ariete. Por las características elásticas de la tubería de la propia agua, la presión después de alcanzar el valor máximo será reducida hasta un mínimo. El fenómeno se repite con ondas de sobre presión sucediéndoles a las ondas de depresión, cuyos valores oscilan en torno al valor de presión estática en el punto hasta la amortiguación total de la sobre presión. Las fórmulas usuales para el cálculo de la máxima sobre presión por golpe de ariete son: La de Joukowsky en queda: h = Va g donde h : sobrepresión ( m ) v : veloc. del agua en condiciones normales m/seg. a : veloc. de propagación de las ondas m/seg. Y la fórmula de Allievi: se deriva de: 1 =  [ 1 + D ] a2 E Ee 9900

a

48.3 

K * D

Donde:

e

 = 1000 Kg/m3. E = 2.03 x 10 9 Pa. E = módulo de elasticidad del material del tubo. K = 106 /E, coeficiente que toma en cuenta el módulo de elasticidad del material del tubo D = diámetro del tubo (puede ser mm). e = espesor de las paredes del tubo en la misma unidad de D (mm). Los valores de K constante para cada tipo de material puede ser:



93


Material

K

Tubos Acero H. Fundido Plano y Concreto Madera Plástico

0.5 1.0 5.0 10.0 18.0


También se puede calcular: H 

145 * V 1

Ea * D Em * e

Donde: V : velocidad m/seg. Ea : módulo de elasticidad del agua en kg/cm 2. Em : módulo de elasticidad del material en kg/cm2. D : diámetro en pulgadas e : espesor en pulgadas. 1 PSI = 14.23 lbs. 1 PSI = 1.428 m.. Ea = 20670 Kg/cm 2 = 293989.41 psi. Em = 19672.59 Kg/cm 2 = 280000 psi. (PVC) De lo expresado anteriormente, el golpe de ariete es producto del cese súbito de alimentación de agua a la línea de conducción y que el cierre violento de la válvula de pase tiene el mismo efecto que el apagado del equipo de bombeo. Sobre esto se sabe que los valores de sobre presión ocurren cuando el tiempo de cierre de la válvula es menor que el período de la tubería que es igual a Tc = 2L/a. Cuanto mayor sea el tiempo de cierre (maniobra lenta) menor será el valor de la sobre presión. En el caso de válvula de pase se puede utilizar este artificio para eliminar el golpe de ariete. Pero en el caso de válvula de retención en que la operación es automática, la única forma de eliminar el golpe de ariete es acoplando en la conexión de la bomba una válvula de alivio. En la válvula de operación manual ( válvula compuerta ), el tiempo mínimo de cierre de la válvula será de 1 minuto o una cantidad en minutos equivalentes a 1/10 de la longitud de la línea en km. según cual fuere el mayor: Tc < h ( sobrepresión ) Válvula de Alivio: Suprime o recorta las sobrepresiones derivando cierto caudal fuera del conducto, cuando la presión alcanza un valor mayor que el valor de regulación de la válvula de alivio, (presión de estanquicidad): Tc > 2L/A



94



4.17 LEYES DE AFINIDAD DE LAS BOMBAS: El cambio del diámetro del impulsor produce cambios en el Caudal ( Q ), Carga Total Dinámica ( H ) y Potencia de la Bomba ( P ) según relaciones siguientes: .Q1

 D1     ^3 Q 2  D 2  H1 = ( D1/D2 ) 2 H2 P1 = ( D1/D2 ) 5 P2

2. Cuando se cambia la velocidad del motor de la bomba (N1 o N2) H1 = ( N1 /N2 ) 2 , H2

Q1 = N1, Q2 N2

P1 = ( N1 /N2 ) 3 P2

N1 = RPM antes. N2 = RPM después.

Ejemplo 5 . Una bomba entrega Q = 500 gpm ,con una carga total dinámica de 70 pies, cuando opera con 3600 RPM. Determine el cambio en las características de operación, si el impulsor de la bomba se reduce de 6” a 4” de diámetro. Q = 500 gpm=132.1 l/s. H1 = 70 pies. Q1 = D1 Q2 D2

3

= 500 = 6 / 4 Q2

H1 = ( D1 / D2) 2 H2

Q2 = 3.33 gpm

= 70 = ( 6 / 4 )2 H2

donde H2 = 31 pies

La potencia requerida cambiará a: P1 = ( D1 / D2 ) 3 P2

P2 =

P1 = P1 = 0.29 P1 3 (D1/D2 (6/4)3

HP=  Q1 H/550 P1 =  Q1 H1 = 62.4 * 500 * (2.2 * 10 -3 )* 70 = 4.8 * 10 3 pie lb/seg.



95



 = 62.4 lbs/pie 3 Q= pie3 /s H= pie P2 = 0.29 ( 4.8 x 10 3 )= 1.4 x 10 3 P2 = 1.4 x 10 3 pie lbs/seg. Hp agua =  Q H = 1.4 * 103 = 25.45 hp. 550 550 HP al freno= Hp agua/ Eficiencia , para Q=132 l/s , la Eb = 0.88 HF= 25.45/ 0.88= 28.92 HP del motor = HP del freno / Em = 28.92 / 0.87= 33.24 HP  35 HP

4.18 BOMBAS EN SERIE Y PARALELO Hay casos en que las necesidades de un sistema exigen que varíe la carga o el gasto de una bomba. En este caso se usan bomba en serie o en paralelo.

4.18.1 Bombas en Serie : Cuando se instalan dos o más bombas en serie, se debe considerar la suma de las alturas de elevación que caracterizan a cada una de las bombas, admitiéndose el mismo caudal unitario.(figura 4.28)

Figura 4.28 Operación en serie



96

Capitulo 4. IV Estaciones de Bombeo

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