Líneas de conducción por bombeo. Generalidades. Una línea de conducción está constituida por la tubería que conduce el agua desde la obra de captación, hasta el tanque de almacenamiento o red de distribución, así como las estructuras, accesorios, dispositivos y válvulas integradas a ellas. La conducción por bombeo es necesaria cuando se requiere adicionar energía para obtener la carga dinámica asociada con el gasto de diseño. Este tipo de conducción se usa generalmente cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es menor a la altura piezométrica requerida en el punto de entrega. El equipo de bombeo proporciona la energía necesaria para lograr el transporte del agua. A diferencia de una línea de conducción por gravedad donde la carga disponible es un criterio lógico de diseño que permite la máxima economía, al elegir diámetros cuyas pérdidas de cargas sean máximas, en el caso de líneas por bombeos la diferencia de elevación es carga a vencer, que va a verse incrementada en función de la selección de diámetro menores y consecuentemente ocasionará mayores costos de equipos y de energía, por tanto cuando se tiene que bombear agua mediante una línea directa al Tanque de Almacenamiento, existirá una relación inversa de costo entre potencia requerida y diámetro de la tubería. Dentro de estas dos alternativas extremas: -
Diámetro pequeño y equipo de bombeo grande lo cual tiene un costo mínimo en la tubería pero máximo en los equipos de bombeos y su operación.
-
Diámetros grandes y un equipo de bombeo de baja potencia, resultando altos costos para la tubería y bajos para los equipos y su operación.
Las líneas de conducción por bombeo, se construyen generalmente con un sistema de tuberías a presión. Sin embargo, en algunos casos se establece un sistema combinado de tubos a presión y canales abiertos o cerrados, dependiendo principalmente de las condiciones topográficas y geológicas del lugar.
Criterios de Diseño. Caudal de diseño. El caudal de diseño es el correspondiente al gasto máximo diario (Qm) en el que se estima considerando el caudal medio de la población para el periodo del diseño seleccionado (Cmd) y el factor (Di) del día del máximo consumo.
Ejemplo. Con una dotación o consumo de 300 lt/Hab*día y una población futura de 61000 Hab. Determinar el consumo máximo horario, máximo diario y el caudal de diseño.
Consumo máximo diario = 130 - 150% consumo medio.
Consumo máximo horario = 200 – 230% consumo medio.
Caudal de diseño. POBLACIÓN
GASTO TOTAL (lt/seg)
3000 – 10000 hab.
5
10001 – 20000 hab.
12
20001 – 40000 hab.
24
40001 – 60000 hab.
48
60001 – 120000 hab.
72
Mayor a 120000 hab.
96
Sin embargo, no es recomendable ni práctico bombear durante 24 horas. Es factible reducir las horas de bombeo incrementando el caudal. Se puede utilizar la expresión:
Sin embargo, se acostumbra, para los casos de sistemas por bombeo utilizar el Qm en vez de Qdis, tomando en consideración que las deficiencias en caudal que pudieran ocurrir durante la operación puede resolverse aumentando el tiempo de bombeo. Por lo tanto la expresión se transforma en:
Generalmente N < 16 horas. Selección de diámetros Será aquella que, satisfaciendo criterios técnicos, resulte la más económica. Se sugiere utilizar 2 o 3 diámetros, variando los rangos de caudal demandado dentro del período de proyecto. Un procedimiento para la selección del diámetro es usando la fórmula de Bresse.
Donde: K = 1.3 X = (No de horas de bombeo/24) Qb = Caudal de bombeo en m3/sg (
)
(
)
Para determinar el mejor diámetro (más económico) puede aplicarse la formula siguiente, ampliamente usada en los Estados Unidos de Norte América. (Similar a la de Bresse, con K=0.9 y n=0.45) ( ) (
)
Determinado un D, se escogen tres (2) diámetros comerciales en torno al valor de Bresse, con velocidades comprendidas entre 0,6 a 2,0 m/s y se determina las pérdidas de carga y potencia de equipo requerido en cada caso. El análisis de costos que involucra tuberías, equipo y costos de operación y mantenimiento permitirá seleccionar el diámetro de mínimo costo. Diámetro Teórico. Para Qb = 0,32 m3/sg y V = 1,5 m/s
√
√
Diámetro Comercial (tubería de PVC). Dc = 40 cm Al usar este diámetro se debe corregir la velocidad.
Para el cálculo de las perdidas por fricción se utiliza la ecuación de Manning. Tubería PVC Asbesto-Cemento Hierro Dúctil Concreto Liso Acero c/revestimiento Acero s/revestimiento
n 0,009 0,010 0,010 0,012 0,012 0,014
Tabla 1Error! No text of specified style in document..1 Coeficientes de Rugosidad (n) del tubo
(
(
)
)
Tuberías En forma similar a como se determinó para la línea de conducción por gravedad, habrá que determinar las clases de tubería capaces de soportar las presiones de servicio y contrarrestar el golpe de ariete.
Figura 1. Presiones de trabajo para diferentes clases de tubería
Se deberá seleccionar el tipo de tubería en base a la agresividad del suelo y al intemperismo. En este último caso, de usarse el fierro galvanizado se le dará una protección especial. Aquella en caso que por la naturaleza del terreno, se tenga que optar por tubería expuesta, se seleccionará por su resistencia a impactos y pueda instalarse sobre soportes debidamente anclados.
Altura dinámica total (Ht) El conjunto elevador (motor-bomba) deberá vencer la diferencia de nivel entre el pozo o galería filtrante del reservorio, más las pérdidas de carga en todo el trayecto (pérdida por fricción a lo largo de la tubería, pérdidas locales debidas a las piezas y accesorios) y adicionarle la presión de llegada (figura 2). Hs = Altura de aspiración o succión, esto es, altura del eje de la bomba sobre el nivel inferior. Hd = Altura de descarga, o sea, la altura del nivel superior con relación al eje de la bomba. Hg = Altura geométrica, esto es la diferencia de nivel; (altura estática total) Hs + Hd = Hg Hftotal = Pérdida de carga (totales). Ps = Presión de llegada al reservorio (se recomienda 2 m). Ht = Altura dinámica total en el sistema de bombeo, que corresponde a:
Tabla 2 Línea gradiente hidráulica de la línea de impulsión
Características Hidráulicas. Diseño.
Accesorios de la conducción.
Cámara de válvula de aire
El aire acumulado en los puntos altos provoca la reducción del área del flujo del agua, produciendo un aumento de pérdida de carga y una disminución del gasto. Para evitar esta acumulación es necesario instalar válvulas de aire automáticas (ventosas) o manuales.
Cámara de válvula de purga
Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la línea de conducción con topografía accidentada, provocan la reducción del área de flujo del agua, siendo necesario instalar válvulas de purga que permitan periódicamente la limpieza de tramos de tuberías.
Cámara rompe-presión
Al existir fuerte desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la línea de conducción, pueden generarse presiones superiores a la máxima que puede soportar la tubería. En este caso se sugiere la instalación de cámaras rompepresión cada 50 m de desnivel. La tubería de ingreso estará por encima de nivel del agua.
Golpe de ariete. Es el fenómeno que se presenta debido a una perturbación en un sistema de tubería, como por ejemplo, el cierre de una válvula o la parada de un equipo de bombeo, en este momento y en forma transitoria se produce bruscamente un aumento de presión que viaja en el interior de la tubería el cual desaparece por efecto de la fricción. (mas en el documento tuberías y bombas pagina 52) Los sistemas de conducción por bombeo están sujetos a paradas e interrupciones bruscas, acción que puede provocar sobrepresiones por el denominado golpe de ariete. En el estudio de este fenómeno hay que abandonar las hipótesis de que el fluido es incompresible y que el régimen es permanente. El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por lo tanto de régimen variable. Ejemplo.
Calcúlese el golpe de ariete en una conducción de acero de 4000 m de longitud, 1 m de diámetro y 9 mm de espesor (Q = 1,5 m3/s y T = 3 s).
Velocidad de la onda.
√ donde: k = Coeficiente característico del material. D = Diámetro medio de la tubería. e = espesor de la pared de la tubería en la misma unidad que el diámetro. Material Acero Hierro dulce Fundición de hierro Hormigón armado Fibrocemento Polietileno o PVC
√
√
Longitud Crítica.
Velocidad Media.
Golpe de Ariete.
K 0,5 0,5 1 5 4 33,3
C'
B'
s ne
sio
re ep d o
188 m
h
tec
plano de carga
A' A
Lc
C B
Por la fórmula de Micheaud, antes de aparecer la de Allievi, se hubiera considerado:
