CARCAMOS DE BOMBEO DESCRIPCION GENERAL DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO Un sist sistem ema a de bomb bombeo eo es un elem elemen ento to de co conj njun unto to de elem elemen ento toss constituido por los conductos y por medios mecanicos de elevación del agua, asi como de una serie de estructuras de elevaciones, que se utilizan para proporcionar energía de presión y energía cinetica al agua; y conducirla al alguana fuente natural de aprovechamiento hasta el sitio de descarga; estos sistemas se utilizan para diferentes usos; ya sea para irrigación, dotación de agua potable, manejo de aguas negras y pluviales y para la industria, destacando en este ultimo rubro los sistemas de enfr enfria iami mien ento to que que se em empl plea ean n en plant plantas as term termoe oelé léct ctri rica cass y nucl nucleo eo eléctricas. Figura Estos Estos siste sistemas mas requie requieren ren diseño diseñoss especi especiale aless muy distin distintos tos unos unos de otros. Su diseño hidráulico debe analizar los efectos del comportamiento del flujo y hacia el carcamo, el flujo a través de la bomba de los conductos hacia el condensador y en la descarga, los cuales se derivan principalmente de los gastos necesarios para cada uno, y que determinaran el tamaño y dimensiones del sistema. A continuación se mencionan las partes que lo componen, en general son las siguientes: •
CAPTACION
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CONDUCCION
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MALLAS Y REJILLAS
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CARCAMOS
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CAMPANA Y TUBERIA DE SUCCION
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EQUIPO DE BOMBEO
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TUBERIA DE DESCARGA
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BOMBAS AUXILIARES
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DISPOSITIVOS DE CONTROL Y ALIVIO
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CASETA DE OPERACIÓN
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SUB ESTACION ELECTRICA
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ALUMBRADO
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PATIO DE MANIOBRAS
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ACCESO
CAPTACION Para alimentar al sistema, primeramente habrá que ubicar la fuente de abastecimiento la que puede ser el mar, una laguna o algún rio; y dependiendo del tipo de esta, habrá que diseñar la obra de toma, la cual es una estructura que nos permitirá extraer en el momento y en el volumen que se requiera. Figura La captación deberá proyectarse procurando no modificar relativamente el régimen de dicha fuente, por lo cual se deberá realizar los estudios necesarios para conocer las características mas generales de esta y tales como mareas, corrientes, oleaje, Batimetría y velocidades, temperaturas e inclusive fauna acuatica existente. Por su tipo se clasifican en sumergidas y superficiales los cuales deberán cumplir, en su operación basicamente con lo siguiente. a. Que capten y regulen los gastos necesarios para el sistema; aun
cuando se presenten condiciones de bajamar o de estiaje extraordinario. b. Que reduzca al máximo las perdidas de energía por entrada y conducción c. Que eviten a través de rejillas, la entrada de cuerpos flotantes o extraños como troncos escombros o basura. Adicionalmente a estas condiciones y cuando se trate de una toma sumerjida en un océano, habrá que diseñarla de tal forma que la entrada tenga un doblez normal al hecho donde este asentada, protegiendo la apertura con una tapa horizontal de tamaño y forma tales que el agua
entrante viaje horizontalmente a una velocidad suficiente para ahuyentar a los peces; ya que estos solo pueden detectar las corrientes horizontales no asi las verticales.
CONDUCCION Posteriormente a la obra de toma habrá que diseñar la conducción, la cual puede ser una tubería, para el caso de bocatoma sumergida o de un canal de acceso cuando la bocatoma sea superficial que es lo mas usual en las plantas termoeléctricas y nucleo eléctricas. Las funciones principales del canal de llamada son: a. Conducir el agua de mar hasta el carcamo, desde un punto donde
exista la menor cantidad posible de arena en suspensión. b. Servir de tanque sedimentador. La poca arena en suspensión que entre por boca del canal deberá sedimentarse dentro del mismo, para evitar que llegue a las bombas. Requiriendo de dragado periódico para mantener la profundidad del proyecto. c. Regular el gasto que será entregado al carcamo, mediante compuertas y canales internos mismos que en su diseño debe considerarse el patrón de flujo requerido.
MALLAS Y REGILLAS En la parte inmediata a las compuertas de control de flujo del canal de acceso, se construyen estructuras especiales para la limpieza del agua. El cual consiste de rejillas con rastrillo y mallas giratorias, que sirven para retener la basura y cuerpos flotantes e inclusive fangos que pudieran llegar, evitando que estos cuerpos extraños pasen al carcamo de bombeo y puedna ser succionados por las bombas y por consiguiente dañar las mismas. Estas mallas y rejillas son de forma y tamaño variados, que dependen del tipo de cuerpos que vayan a retener, del gasto que estará circulando y de su forma de su instalación, operación, limpieza y mantenimiento. Su colacion deberá de ser paralela al flujo para evitar choque directo con los cuerpo circulantes.
CARCAMO DE BOMBEO
El carcamo de bombeo o pozo de succion, es un tanque enterrado, que se comunica con la conducción de alimentación, con el canal de la llamada y en el cual se alojan las succiones de las bombas. Los hay comunes, que dan servicios a varias bombas y simples, que dan servicio a una sola. Observese figura. Imagen
CAMPANA Y TUBERIA DE SUCCION La campana de succion en un aditamento abocinado instalado en el extremo inferior de la tubería de succion que conecta directamente a la bomba, es allí donde se transforma el flujo de la superficie libre en el flujo a presión. El objeto principal de esta entrada abocinada es eliminar la separación del flujo. Que ocurre con una entrada de borde agudo, esto asegura que el flujo sea uniforme a través de toda la sección transversal de la admisión, por lo que las perdidas de cargas asociadas con la admisión serán minimas, La tubería o columna de succion, es medida a partir de la zona de impulsor hasta el eje de la tubería de descarga cuando la tuveria es vertical y cuando sea horizontal se medira desde la pared posterior del carcamo húmedo hasta la brida de succion de la bomba. Figura1.5
EQUIPO DE BOMBEO Debido a laa importancia que representa el equipo de bombeo en los carcamos a continuación se presentas los aspectos mas importantes. Este equipo esta conformado por el conjunto bomba-motor instalado a lo largo del propio sistema de bombeo y su objeto es proporcionar energía cinetica y de presión al agua, para llevarla de un nivel inferior a un nivel superior. Una bomba hidráulica es un transformador de energía, ya que la energía mecánica recibida a través de una flecha rotatoria, procedente de algún motor eléctrico o de combustible, la transforma de energía cinetica de presión y posición del agua al entrar a las tuberías Figura 1.6
La bomba consta básicamente de dos componentes:
Carcasa e impulsor, la primera es fija y constituye la parte envolvente de la bomba, y la segunda se le llama impulsor o embolo, y de hecho es el corazón de la maquina ya que al girar hace que el agua circule a través de este. Figura 1.7 Las bombas se dividen comúnmente por su funcionamiento en dos tipos: las de desplazamiento positivo. Que funcionan por cambios de volumen, el cual pasa a través de un contorno móvil y que al girar obliga al fluido a avanzar a través de la maquina. Figura 1.8 El otro tipo son las rotadinamicas, que con su nombre lo indican son aquellas que suministran energía al liquido mediante la acción del impulsor, elemento rotatorio compuesto por alabes y cuyo funcionamiento se basa en las ecuaciones de Euler. Figura 1.9
TUBERIA DE DESCARGA La descarga comprende básicamente al conjunto de tuberías y dispositivos a donde se entrega el agua bombeada, desde la salida de las bombas hasta el lugar donde se inicia la distribución del agua; el diseño de su diámetro y su espesor, son función del gasto, presiones y resistencias del material que lo contribuyen. En esta tubería son donde son colocados los principales dispositivos de control y alivio.
BOMBAS AUXILIARES Estas bombas, como su nombre lo indica auxilian, a las propias instalaciones, recayendo principalmente su uso para el lavado de mallas y como equipo contra incendio.
DISPOSITIVOS DE CONTROL Y ALIVIO Los principales dispositivos de control y alivio de un sistema de bombeo son los siguiente: •
Valvula de aire-vacio
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Valvula de drenaje
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Valvula de descarga
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Valvula de no retorno
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Valvula aliviadora de presión
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Cámara de aire
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Tanque undireccional
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Tanque de oscilación
Con respecto a los demás componentes de un sistema de bombeo no se definen por que se salen de la importancia hidráulica que es lo que nos interesa.
DESCRIPCION DE LOS CARCAMOS DE BOMBEO DESCRIPCION El carcamo de bombeo es una estructura de forma geométrica simple. Los mas comunes son los cilíndricos y prismaticos. Este es un deposito del cual se succiona el agua con las bombas y de hecho es donde se transforma el flujo de la superficie libre a un flujo de presión; sus dimensiones se determinan con base a su funcionamiento hidráulico, al numero y tamaño de las bombas que vayan a instalar y el procedimiento empleado en las construcción. Los carcamos se dividen en carcamos húmedos y carcamos secos. El carcamo húmedo es llamado asi, porque la zona de impulsores se encuentra sumergida en la masa de agua que se estará bombeando, este tipo es utilizado en las plantas generadoras de energía eléctrica ya que por sus dimensiones y características de construcción resulta el mas adecuado para la instalación de sus equipos. Un carcamo seco es donde se ubica el conjunto bomba-motor y los dispositivos de control y alivio, constituyendo de esta forma una casa de maquinas.
LOCALIZACION Cuando se presenta una demanda de agua en algún lugar y que de acuerdo a las condiciones físicas, se requiera atender esta con equipo de bombeo, de hecho se establece el sitio de descarga sin establecer aun
cual será el carcamo. Analógicamente cuando se ubica la fuente de aprovechamiento que se explotara, se trenda la localización de la obra de toma, de que que la ubicación del sitio sobre el cual se ha de construir el carcamo, ya sea junto, cerca o lejos de las estructuras, se determinan a través de los siguientes estudios previos: •
Estudios técnicos
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Visitas de inspección
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Ante proyecto
Conociendo los resultados de los estudios anteriores, se estará en posibilidades de establecer la ubicación del carcamo y obras a fines, para lo cual el suelo deberá de ser estable sin peligro de derrumbes, lejos de cruces con aroyos y de fácil acceso. Estas características físicas del sitio y en general los datos precisos para el diseño del proyecto se agrupan en los siguientes estudios definitivos. •
Topográficos
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Hidrológicos
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Geológicos
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Mecánica de suelos
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Costos
DISEÑO Para lograr el funcionamiento hidráulico optimo del carcamo de bombeo su diseño contemplara además de lo enunciado el uso que se le va a dar, esto es, en sus dimensiones se determinan en base al volumen de agua que esta circulando y por ende al numero y tamaño de bombas, por lo que en su diseño definitivo se debe elegir una geometría especial, sobre todo cuando se instalen en el bombas centrifugas de eje vertical.
CALCULO DEL VOLUMEN DEL CARCAMO El volumen mínimo necesario del cárcamo de bombeo depende del tipo de funcionamiento de las bombas. Si éstas son de velocidad variable, de forma que se varía el caudal de bombeo de acuerdo con el agua residual que llega al cárcamo, el volumen requerido es pequeño, siendo
suficiente aquel que permita alcanzar el nivel definido para este. Normalmente, este tiempo suele ser inferior a un minuto. En cambio las bombas de velocidad constante o de dos velocidades necesitan mayores volúmenes de almacenamiento para evitar ciclos demasiado cortos. El tiempo entre arranques es función de los caudales de bombeo que entran al cárcamo. En bombas con motores de dos velocidades, el caudal de bombeo es la diferencia entre el caudal correspondiente a cada velocidad. El tiempo mínimo del ciclo de funcionamiento de una sola bomba ocurre cuando el caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba. En estas condiciones, la duración en funcionamiento y paro son iguales. Para caudales de entrada mayores, el tiempo de funcionamiento es mayor y el de paro menor, mientras que para caudales de entrada menores, ocurre lo contrario. En ambos casos el ciclo es mayor.
VOLUMEN MAXIMO En general siempre se establece un tiempo de retención máximo en el cárcamo para minimizar el desarrollo de condiciones sépticas y producción de olores que conduce a su vez a un volumen máximo. A menudo, éste se establece en diez minutos, para el caudal medio del proyecto. Desgraciadamente, este valor se contrapone con la necesidad de disponer de volumen adecuado para evitar ciclos de funcionamiento de las bombas demasiado cortos. Por esto se instalan varias bombas o bombas de dos velocidades para reducir el incremento del caudal de bombeo y, en consecuencia, el volumen necesario. Además, se puede minimizar la producción de olores si el nivel mínimo de agua en el cárcamo se encuentra por encima de la zona cuyo fondo tiene una pendiente, lo cual se logra al dicho nivel concuerde con la primera bomba dentro de la secuencia se bombeo.
DIMENSIONES DEL SISTEMA La función del depósito del cual se va a tomar agua, es proporcionar una distribución del flujo hacia la campana de succión. Una distribución se caracteriza por fuertes corrientes locales que favorecen la formación de torbellinos y con bajos valores de profundidad que pueden introducir aire a la bomba, reduciendo su capacidad y produciendo mucho ruido. El nivel adecuado de profundidad depende, principalmente, del acceso a la toma y del tamaño de la bomba. Los fabricantes de bombas generalmente proporcionan información sobre los problemas específicos, cuando el diseño del cárcamo es en forma preliminar, y si
este diseño contiene todos los dibujos necesarios para la instalación que proporcionen las limitaciones físicas del lugar. Es conveniente mencionar también que un diseño incorrecto de los carcamos, puede tener implicaciones de gran alcance en el funcionamiento general en la estación de bombeo de ahí que el diseño de la toma, solo se alcance atinadamente a treaves de su análisis en un modelo hidráulico. Por lo anterior, el movimiento el movimiento del liquido antes de la succion resultara especialmente critico, por lo que cada bomba solo rendirá su mejor funcionamiento cuando el fluje que llegue a ella cumpla con un conjunto estricto de condiciones hidráulicas. La falta de cumplimiento de tales condiciones tiene efectos que pueden llegar a limitar las características de operación de todo el conjunto de bombeo, causar severos daños a las bombas, requiriendo importantes inversiones y costos por concepto de mantenimiento, reparaciones y modificaciones, y además la falta de servico y dejando inclusive de generar la energía comprometida.
CONDICIONES DE OPERACIÓN DE CARCAMOS DE BOMBEO El flujo en el carcamo debe cumplir con las condiciones y las reales determinara el grado de ocurrencia del problema del funcionamiento.
UNIFORMIDAD
En una sección transversal convenientemente definida de la cámara, la magnitud y dirección de las velocidades en todos los puntos de la sección deben ser iguales, la falta de esta condición se debe generalmente a la asimetría de la estructura con respecto a la dirección del flujo y la geometría particular del carcamo, provocando un giro de la masa liquida hasta la entrada de la campana, asi como casos graves, la formación de vórtices sumergidos y de vórtices superficiales con el consiguiente acarreo de aire.
PERMANENCAIA La magnitud y dirección de las velocidades no deben variar en función del tiempo ya que las velocidades con respecto al tiempo generan fuerzas irregulares, no equilibradas en el impulsor, esto provoca la
aparacion de vibraciones las cuales con el tiempo pueden dañar los cojinetes y otras partes de la bomba.
UNICIDAD El flujo debe de ser de una sola fase; es decir no debe de haber arrastre de aire o de vapor. La inclusión de aire en el flujo puede deberse a varias causas; sumerjencia insuficiente, altas velocidades y vortocidad. La formación de burbujas de vapor de agua y de aire disulto es el resultado de bajas presiones debedias en general a los vórtices sumergidos y a las altas velocidades cerca de la campana de succion, presentándose la cavitación en el impulsor y otras partes de la bomba con grandes consecuencias en caso extremos.
VORTOCIDAD En general los vórtices se han divididos en dos grupos: Los vórtices superficiales y los vórtices sumergidos; los primeros como ya se dijo resultan de una distribución no uniforme del flujo que se acerca a la bomba y son fácilmente visibles en la superficie del agua; mientras que los segundos a diferencia de los primeros solo pueden observarse en el modelo hidráulico además que este tipo de vórtices no arrastran aire en el interior de la bomba; pero pueden formar una columna de vapor que al ser arrastrada por la succion será cortada por las aspas del impulsor, aumentando considerablemente la presión, estas burbujas de vapor se condensan súbitamente implotano, produciendo erosion por cavitación en los componentes del impulsor y en las paredes de la carcasa de la bomba, prácticamente destruyéndola. Para clasificar la intensidad en forma cualitativa para ambos grupos de vórtices, se recurre en general al criterio de Jhon L Dicmas el cual se describe a continuación, también existe la clasificación para vórtices superficales debida al alden reserch laboratory, asi como las que utilizan diferentes fabricantes de bombas, como es el caso de la ingersoll-rand y de la kubota L.T.D.
Clasificación según Jhon L Dicmas VORTICES SUPERFICALES Tipo I. inicia con una pequeña depresión(hoyuelo) si la superficie del agua es lisa. Al aumentar la rotación, el vórtice arrastra
intermitentemente algunas burbujas de aire que finalmente llegan a ser succionadas. Este tipo de vórtice generalemente no afecta la eficiencia de la bomba solamente el inicio de la vorticidad. Tipo II. Los vórtices de este tipo presentan una mayor depresión en la superficie y una mayor velocidad de rotación que los del tipo I, pero generalmente intermitentes formándose y desapareciendo en ciclos entre 15 y 20 segundos, la presencia de este tipo de vórtices permite la entrada de cantidades considerables de agua a la succion, pero probablemente no en la medida suficiente para afectar la eficiencia de la bomba; pero este tipo de vórtice debe evitarse. ( no admisible). Tipo III. Son vórtices de corazón abierto, de formación continua que permiten la entrada de aire a la succion produciendo ruido. Algunas veces son intermitentes. Cualquier reducción de la sumergencia bajo el nivel que produce este tipo de vórtice causa la suspensión de la succion, este tipo de vórtice es inadmisible. Figura 1.10
VORTICES SUMERGIDOS Tipo A. Constituyen el primer signo
