DISEÑO DE ESTACION DE BOMBEO FINAL.pdf

U N S C H

DISEÑO DE ESTACION DE BOMBEO

UNSCH

FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS


“

- PROFESOR - CURSO - SIGLA - SERIE - INTEGRANTE

: Ing. QUISPE RODRIGUEZ, Indalecio. : DISEÑO Y CONSTRUCCIONES MINERAS : (MI-540 ) : 500 - II : CABRERA HUAMANÍ, Marisa. CHACCHI HURTADO, Richard. CONDE OMONTE, Clebert. HUAYTA QUISPE, Carlos. PILLACA QUISPE, Heber. 









AYACUCHO – PERÚ

2014

”


UNSCH

Contenido

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 2 OBJETIVOS .................................................... .......................................................................................................... .......................................................................... .................... 3 DISEÑO DE ESTACION DE BOMBEO................................................. ...................................... 4 1.

DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO .................................. 4

1.1.

DISEÑO DE LA PLATAFORMA PARA LA COLOCACIÓN DE LA BOMBA ................. 4

1.2.

DETALLES DE LA BOMBA Y SU COLOCACIÓN EN LA POZA ................................... 5

1.3.

DETALLES DE LA POZA DE SEDIMENTACIÓN ........................................................... 6

1.4.

DETALLES DE LA POZA DE BOMBEO ..................................................... ......................................................................... .................... 7

1.5.

ESQUEMA DEL SISTEMA DE BOMBEO ............................................................. .......... 8

2.

DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO ..................................................................... . 10

2.1.

SELECCIÓN Y CÁLCULO DE LAS TUBERÍAS ............................................................. 10

2.2.

SELECCIÓN Y CÁLCULO DE LA BOMBA .......................................................... ........ 19

CONCLUSIONES ........................................................................................ ........................... 21 RECOMENDACIONES ............................................. ....................................................... ............................................................... ........ 22 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................... .................................... 23 ANEXOS ...................................................... ............................................................................................................ ........................................................................ .................. 24

INTRODUCCIÓN

2


En el presente informe se detallan los trabajos realizados para el diseño y construcción de pozas de bombeo en minas subterráneas. Para lo cual primero se detallarán los trabajos de construcción de las pozas de Sedimentación y Bombeo. Y luego el diseño teórico de las tuberías y bomba adecuada que permita realizar un esquema de bombeo adeacuado para los requerimientos que se pide.

OBJETIVOS 

Diseñar el proceso constructivo de una poza de bombeo en minas subterráneas.



Realizar los cálculos de tuberías y bombas adecuadas para el diseño de un sistema de bombeo en minas subterráneas.



Mostrar los fundamentos teóricos y técnicos para el diseño y construcción de pozas de bombeo en minas subterráneas.

DISEÑO Y CONSTRUCCIONES MINERAS


DISEÑO DE ESTACION DE BOMBEO Diseñar la poza de estacion de bombeo sobre roca para almacenar agua en el Nv 4150 de dode se bombeara al Nv 4250 mediante las bombas electricas, la cantidad de agua a almacenarce es 150 m3 durante la guardia de 8 horas, el agua sera abastecida mediante la cuneta y tendra material arcilloso en suspension, el chupon de succion sera positiva, indicar el proceso constructivo y las instalaciones necesarias. 1. DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO

Primero se diseñarán las estructuras propias de una Estación de Bombeo en interior mina, para lo cual se mostrará a continuación todos los componentes de esta. 1.1. DISEÑO DE LA PLATAFORMA PARA LA COLOCACIÓN DE LA BOMBA

Se diseña la plataforma a manera de un parilla metálica, la que va sobre una losa de concreto preprarada sobre la zona donde se va a colocar la bomba. La parilla se preprará co perfiles de acero y la bomba va empotrada mediante pernos a la parilla. En la siguiente gráfica se muestra el detalle de la parilla y de la loza de concreto.



1.2. DETALLES DE LA BOMBA Y SU COLOCACIÓN EN LA POZA

En la siguiente figura mostramos los detalles de la Bomba y sus accesorios, además de su colocación sobre la parrilla metálica. La primera imagen muestra el detalle de la Bomba en Perfil y la siguiente muestra la vista en Planta.



1.3. DETALLES DE LA POZA DE SEDIMENTACIÓN

La camara de sedimentación se construye paralela a la poza de bombeo, en esta cámara se recibe el agua primero para poder sedimentarla y luego por reboce pase a la cámara de bombeo. Para este fín la poza de sedimentación es más profunda que la poza de bombeo, en este caso 0.90 m más profunda. A continuación mostramos el detalle de la cámara de sedimentación. VISTA EN PERFIL DE LA CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN



1.4. DETALLES DE LA POZA DE BOMBEO

La Cámara de Bombeo, como se mencionó anteriormente se construye paralela a la poza de sedimentación y recive el agua por reboce para posteriormente bombearla a la zona donde se requiere. Además la Cámara de Bombeo debe tener las dimensiones adecuadas para almacenar 150 m3 de agua para bombeo. A continuación mostramos los detalles de la poza de bombeo adecuado para almacenar 150 m3. VISTA EN PERFIL DE LA CÁMARA DE BOMBEO

VISTA FRONTAL DE LAS CÁMARAS



VISTA EN PLANTA DE LAS POZAS

1.5. ESQUEMA DEL SISTEMA DE BOMBEO



En la siguiente gráfica se muestra el esquema del sistema de Bombeo para que se transporte en agua desde la poza de Bombeo a una poza de acumulación con una diferencia de cotas de 100 metros.



2. DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO 2.1. SELECCIÓN Y CÁLCULO DE LAS TUBERÍAS

Primero seleccciónamo las cantidades de los componenetes del circuito de tuberías a utilizar en para transportar el agua entre los diferentes niveles. a. Tubería de aspiración •

Longitud

: 3.1 metros

•

Válvula a pie con filtro

: 1 unid

•

Codos a 90º

: 1 unid

•

Reduccion exéntrica

: 1 unid

. Válvula de globo

: 1 unid

b. Tubería de impulsión •

Longitud

: 122.5 metros

•

Válvula de retención

: 1 unid

•

Válvula de compuerta

: 1 unid

•

Codos a 90º

: 5 unid

Una vez definido los datos de partidas, se procede a calcular la instalación de bombeo, esto es, a decidir el tipo y modelo de bomba y los diámetros y tipos de tuberías para la conducción del agua. 2.1.1. Cálculo de los diámetros de las tuberías

La expresión que relaciona el diámetro interior de la tubería con el caudal que la atraviesa es la siguiente: 354·Q v = D

Siendo: v, la velocidad del agua, en m/s; D, es el diámetro interior de la tubería, en mm; Q, es el caudal de agua que circula por la tubería, en m3/h. Esta expresión permite despejar el diámetro (D) en función de la velocidad del agua (v) y el caudal de suministro (Q). a. Diámetro de la tubería de aspiración

Se recomienda que para las tuberías de aspiración la velocidad del agua debería situarse en torno a los 1,8 m/s. Aplicando este valor y el caudal de 18.75



m3/h requerido a la expresión resulta el siguiente diámetro mínimo que se muestra en la siguiente tabla: Velocidad (m /s )

3 Caudal (m ) /h

Diámetro (m m )

1,8

18.75

60.73

Del catálogo de conductos de polietileno (HDPE anexo tabla 1) para suministro de agua a presión se elige para la tubería de aspiración la siguiente: Diámetro nominal (DN) : 63 mm Tipo : PE 100 (PN 20 bar.) Espesor de pared del tubo : 7.1 mm Diámetro libre interior : 48.8 mm

   

Una vez definido el diámetro de la tubería de aspiración se recalcula la velocidad para obtener la real del agua y comprobar que se mantiene dentro del rango recomendado: 354·Q v = D

Reemplazando con los siguientes datos: D, es el diámetro interior de la tubería: 48.8 mm Q, es el caudal de agua que circula por la tubería: 18.75 m3/h Obtenemos: Diámetro (m m )

3 Caudal (m ) /h

Velocidad (m /s )

48.8

18.75

2.78

Diseño no conforme para la tubería de aspiración porque no cumple con el rango de velocidad que es de 1.8 m/s entonces elegimos otro diametro:    

Diámetro nominal (DN) : 90 mm Tipo : PE 100 (PN 20 bar.) Espesor de pared del tubo: 10.1 mm Diámetro libre interior : 69.8 mm

Reemplazando en la fórmula anterior resulta: Diámetro (m m )

3 Caudal (m ) /h

Velocidad (m /s )

69.8

18.75

1.36

Este si resulta como un diseño conforme para la tubería de aspiración.



b. Diámetro de la tubería de impulsión

Para las tuberías de impulsión se recomienda que la velocidad del agua debería situarse en torno a los 2,5 m/s. Aplicando este valor y el caudal de 18.75 m3/h, el diámetro mínimo resultante se muestra en la siguiente tabla: Velocidad (m /s )

3 Caudal (m ) /h

Diámetro (m m )

2,5

18.75

51.53

Del catálogo anterior de conductos de polietileno (HDPE anexo tabla 1 ) para suministro de agua a presión se elige para la tubería de impulsión la siguiente: : : : :

• Diámetro nominal (DN) • Tipo • Espesor de pared del tubo • Diámetro libre interior

75 mm PE 80 (PN 20 bar.) 8.4 mm 58.2 mm

Una vez definido el diámetro de la tubería para la impulsión se recalcula la velocidad real del agua, para comprobar que se mantiene dentro del rango recomendado: 354·Q v = D

Reemplazando en la fórmula los siguientes datos: D, es el diámetro interior de la tubería Q, es el caudal de agua que circula por la tubería

: 58.2 mm : 18.75 m3/h;

Obtenemos: Diámetro (m m )

3 /h Caudal (m )

Velocidad (m /s )

58.2

18.75

1.96

Diseño conforme.

Si seleccionamos velocidades bajas, requiere mayores diametros de tuberias .Si seleccionamos velocidades grandes disminuye los diametros de tuberia pero aumentan las perdidas de energia. Por lo tanto debemos de elegir la velocidad promedio que debe variar de 0.6 m/s ≤ V≤ 2.4 m/s, entonces estamos dentro del rango. 2.1.2. Cálculo de la altura manométrica



La altura manométrica (Hd) total se compone de la suma de los siguientes términos: P i - P a Hd= H g + P c + 10 · γ

Donde: Hg

: representa a la altura geométrica que debe vencer el fluido, en metros Pc = Hp + HL : es la pérdida de carga del fluido a su paso por las tuberías, válvulas, etc. y expresado en metros. Hp : perdida de carga por friccion HL : perdidad de carga por accesorio Pi - Pa / γ : este término representa la presión diferencial existente entre las superficies del líquido en la impulsión y la aspiración de la bomba, devidido por su peso específico. El resultado se expresa en metros. En este caso, al tratarse tanto el pozo donde se realiza la aspiración como el depósito final de impulsión de espacios abiertos a la atmósfera, resulta que las presiones de aspiración e impulsión en la superficie del líquido serán iguales (Pa = Pi) y por lo tanto esta componente resultará cero (Pa - Pi = 0) y no deberá ser tenida en cuenta. Por lo tanto, para calcular la altura manométrica que debe proporcionar la bomba, habrá que calcular la altura geométrica que debe salvar el fluido en su recorrido y sumarle la pérdida de carga por rozamiento producida en la instalación. Se calculará en los tramos de aspiración e impulsión por separado y a continuación se sumarán para obtener la altura manométrica total. a. Tubería de aspiración

Hallaremos las pérdidas que se producen como resultado de la Fricción y del los accesorios. Perdida de carga por fricción

Debemos de calcular la perdida de carga por friccion en todo el tramo de la tuberia. La longitud de la tuberia desde la entrada de succion hasta boca de la bomba es de 3.1 metros. Datos: • • • •

Caudal de flujo (Q) Longitud de tuberia (L) Velocidad de flujo (V) Diametro interno de la tuberia (D)

: 0.005208 m3/s : 3.1 metros : 1.36 m/s : 69.8 mm = 0.0698 m

Calculamos el numero de Reynolds para deducir con que tipo de flujo estamos trabajando:



     Como el RE > 4000 estamos en flujo turbulento. Calculamos el factor de friccion con la ecuacion de COLEBROOK Y WHITE.

Teniendo todos los datos, mas Ks = 0.0015mm (tabla 3), reemplazando hallamos f = 0.018319 Calculamos las perdidas de carga por friccion en la linea de impulsion , con la ecuacion de DARCY – WEISBACH por tratarse con solido en suspensión:

Reemplazando:

            

Perdidas de carga por accesorios • Por cambio de direccion • Válvula a pie con filtro • Reduccion exéntrica

de flujo: codo 90° : k =0.90 : k = 0.8 : k= 0 . Válvula de globo : k= 10 En resumen las perdidas de carga por accesorios son: Accesorios

Cantidad

k

Total

codo 90°

1

0.90

0.90

Válvula a pie con filtro

1

0.80

0.80

Reduccion exéntrica

1

0

0

Válvula de globo

1

10

10

Sumatoria k


11.7


Para calcular las perdidas por accesorios utilizaremos el teorema de BORDEBELANGER.

Reemplazando:

  

Altura dinámica de bombeo o altura manométrica:

Hd = Hg + Hp +HL Reemplazando tenemos:

Hd =0.8 + 0.077 + 1.10 = 1.977 m. b. Tubería de impulsión

Hallaremos las pérdidas que se producen como resultado de la fricción y del los accesorios. Pérdida de carga por fricción

Debemos de calcular la perdida de carga por friccion en todo el tramo de la tuberia. La longitud de la tuberia desde la salida de la bomba esta el punto de descarga es de 122.5 metros. Datos: • • • •

Caudal de flujo (Q) Longitud de tuberia (L) Velocidad de flujo (V) Diametro interno de la tuberia (D)

: 0.005208 m3/s : 122.5metros : 1.96 m/s : 58.2 mm = 0.0582 m

Calculamos el numero de Reynolds para deducir de con que tipo de flujo estamos trabajando:

     Como el RE > 4000 estamos en flujo turbulento. Calculamos el factor de friccion con la ecuacion de COLEBROOK Y WHITE.



Teniendo todos los datos, mas Ks = 0.0015mm (tabla 2, Anexo), reemplazando hallamos f = 0.017679. Calculamos las perdidas de carga por friccion en la linea de impulsion , con la ecuacion de DARCY – WEISBACH por tratarse con solido en suspensión:

Reemplazando:

     Perdidas de carga por accesorios • Por uniones de tramos de tuberías: Las tuberías de polietileno nos venden en

tramos de 9 metros, los cuales tenemos que unirlas por termofusión. Para nuestro caso para los 122.5 metros de tuberías, debemos de realizar 14 uniones, cuyo factor de perdida se considera para su cálculo: K= 0.04 • Por cambio de dirección

de flujo: codo 90° : k =0.90

• Por válvula de retención (check)

: k= 2.5

• Válvula compuerta

: k=0.2

En resumen las perdidas de carga por accesorios son: Accesorios

Cantidad

k

Total

14

0.04

0.56

Codo 90°

5

0.90

4.5

Por valvula de retencion (check)

1

2.5

2.5

Valvula compuerta

1

0.2

0.2

Uniones soldadas

Sumatoria k


7.76


Para calcular las perdidas por accesorios utilizaremos el teorema de BORDEBELANGER.

Reemplazando:

      

Altura dinamica de bombeo:

Hd = Hg + Hp +HL Donde: Hd : altura dinamica de bombeo Hg : altura geometrica Hp : perdida de carga por friccion HL : perdidad de carga por accesorio Reemplazando: Hd = 100 + 7.27 + 1.52 = 108.79 m. c. En Resumen

Por lo tanto, la altura geométrica total (H) que debe proporcionar la bomba será: H = Haspiración + Himpulsión = 1.977 + 108.79 = 110.767 m. En resumen, las condiciones de diseño de la bomba serán:

Condiciones de diseño para la bomba 3 Caudal (m ) /h

Altura manométrica (m )

18.75

110.767

2.1.3. Determinacion a la resistencia del golpe de ariete

Datos a conocer: • Resistencia maxima de presion en la tuberia: • Espesor de la tuberia (e): 8.4 mm.


20 bares.

DISEÑO DE ESTACION DE BOMBEO • Modulo de elasticidad polietileno HDPE (E): 14 x • Diametro interior de la tuberia (D): 58.2 mm. • Modulo del agua (ε ) : 2.00 x 10 9 N/m2 • Densidad del gua a 20 °C (r): 998.27 kg/m3 • Gravedad (g) : 9.81 m/s2 • Longitud de la tuberia (L) : 122.5 metros. • Velocidad del agua en la tuberia (V) : 1.96 m/s. •

108 N/m2

Diferencias de niveles Δ H: 100 metros.

 √      

Resistencia al golpe de ariete para la linea de impulsion. Donde el coeficiente K vale 2 porque: K = 2 para L < 500 metros.

Luego calculando el tiempo de disturbacion en seg. (T), por expresion MENDILUCE

                    

Luego reemplazamos en: para saber que expresion usaremos para calcular la sobrepresion del fenomeno del golpe de ariete.

Como L = 122.5 metros < 319.43 metros, usaremos la expresion MICHAUD, por lo tanto la carga por sobrepresion sera:

              

Reemplazamos primero en:

Luego en:



    

A esta altura tenemos que agregarlo la altura dinamica total:

La presion maxima que estara expuesto nuestra tuberia con una parada inesperada o rapida sera:

       

Reemplazando:

Podemos concluir que la tuberia de polietileno ( HDPE) seleccionada al principio de diametro interior 58.2 mm , con PN 20 bares, SDR 9 , espesor 8.4 mm , es la correcta porque de acuerdo a los calculos realizados la presion maxima no supera 20 bares , como se observa a los calculos de carga por sobrepresion.

2.2. SELECCIÓN Y CÁLCULO DE LA BOMBA

Para las condiciones de diseño calculadas de la bomba elegimos bombas centrifugas especiales de velocidad alta que operan bien para una velocidad superior a 3500 rpm de los motores electricos estandar, y son deseables para cargas elevadas y capacidades moderadas.



2.2.1. Potencia de la Bomba N  me  g  Hb  Q  p  g  Hb

N = 0.005208 x 998.27 x 9.81 x 110.767 N = 5.649349 kw = 7.6 ≈ 8 HP 2.2.2. Comprovación de la ausencia de Cavitación

El equipo de bombeo funcionará correctamente sin que surjan problemas de cavitación, si se cumple que: NPSHd ≥ NPSHr + 0 .5

m.

El NPSHr (requerido) de la bomba es un dato que se puede extraer del modelo seleccionado, a partir de la información facilitada por el fabricante en su catálogo. El NPSHd (disponible) de la instalación viene calculado según la expresión siguiente:





NPSHd = (10 · P a ) / γ - H a - Hasp - (10 · P v ) / γ

El emplazamiento de la bomba es en superficie sobre el terreno, a una altitud de 4150 metros sobre el nivel del mar. A esta altitud la presión atmosférica se puede calcular como: Pa(m) = 10,33 - Altitud(m)/900 = 10,33 - 4150/900 = 5.71 m. (0,571 kg/cm2)

La altura geométrica de aspiración (Ha) vale 0.8 metros, según los datos de partida. La pérdida de carga originada en el tramo de la aspiración también ya ha sido calculada de valor, H aspiracion = 0.077 + 1.10=1.177 metros. Los otros parámetros de la expresión anterior que faltan toman los siguientes valores: Pv γ

: 0,0238 kg/cm2 (presión de vapor del agua a 20ºC, según la Tabla 3 "Peso específico y tensión de vapor del agua") : 0,9982 kg/dm3 (peso específico del agua a 20ºC, según la Tabla 3 "Peso específico y tensión de vapor del agua")

Sustituyendo estos valores en la expresión anterior resulta un NPSH disponible de valor: NPSHd = 3.5 m

Por lo tanto para que no exista cavitación se tiene que elegir NPSHr menores a NPSHd, para que se cumpla: NPSHd ≥ NPSHr + 0,5 m



CONCLUSIONES 



El proceso constructivo de las pozas de sedimentación y bombeo siguen un procedimineto que nos garatiza que las pozas cumplan con los requeriminetos pedidos. Para el diseño adecuado de las tuberías y selección de la bomba se utilizaron fórmulas hidráulicas de diferentes autores.



RECOMENDACIONES 



Se debe realizar un diseño previo y cumplir estos para garantizar una buena construccion de las pozas de acuerdo al diseño dado. Se debe generalizar el uso de modelos matemátics específicos para el diseño de trabajos hidráulicos en minería subterránea.



BIBLIOGRAFÍA  

 

El Agua en la Mina (Antonio Pizarro Losilla) Diseños de Estación de Bombeo de Agua Potable (Organización Panamericana de la Salud) Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas (Claudio Mataix) Flujo en Tuberías (Luis Emilio Pardo)



ANEXOS

Tabla 1: Dimensiones para Tuberías PE-100, Norma ISO 4427 (tensión admisible 80 Kg/cm2)



Tabla 2: Rugosidades absolutas en micrómetros (Libro de Co mentarios al RITE de 1998)

Fig 1: Perdida de carga locales


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