UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA REGION POZA RICA – TUXPAN
“CRITERIOS GENERALES PARA SELECCIONAR BOMBAS VERTICALES DE POZO PROFUNDO APLICADAS EN LA EXTRACCIÓN DE AGUA.” TESINA
PRESENTAN: JUAN DANIEL ÁLVAREZ CHABELA LUIS MANUEL ÁLVAREZ CHABELA
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL ING. CÉSAR IGNACIO VALENCIA GUTIÉRREZ
POZA RICA, VER.
SEPTIEMBRE DE 2009.
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN En cualquier industria, edificio, instalación o maquinaria late un pequeño “corazón”, que bombea líquidos, y de cuyo buen funcionamiento dependen importantes actividades. La bomba centrífuga, teóricamente sencilla en su concepción y diseño, ofrece dificultades en su marcha y mantenimiento, que exige conocerla muy bien por parte de los operarios. Es decir, que deben adquirir una sólida formación en los problemas de marcha y de corrección preventiva de los fallos y averías. El diseño en planta de la estación de bombeo, es particularmente importante en los casos en que hay otras bombas trabajando simultáneamente en la citada estación. El paradigma del diseño de estaciones de bombeo para bombas verticales, es la creación de un reparto de caudal, que sea estacionario, uniforme y continuo. Hay que evitar las interferencias de la máquinas, así como los funcionamientos viciados de la estación de bombeo en función del número de bombas que estén o no funcionando a la vez. Una estación mal diseñada no sólo comporta problemas en el rendimiento hidráulico de la misma sino que además se producen vibraciones que disminuyen la vida de la máquina. En una estación mal diseñada sólo se puede hacer una corrección para un mejor funcionamiento, mediante la variación de la obra civil que permita disminuir las velocidades de aproximación a la bomba, tanto como sea posible, y aumentar la separación entre ejes de las bombas a valores superiores a los determinados en el apartado anterior.
JUSTIFICACIÓN El diseño de los pozos/estaciones de bombeo es una de las aportaciones más importantes de la empresa de ingeniería que diseña un sistema de riego, y por ende el trabajo más valorado como aportación para esta aplicación por un fabricante de bombas centrífugas. Dentro de las estaciones de bombeo, y teniendo en cuenta que las más complicadas de definir son las que utilizan las bombas verticales de superficie, debemos indicar que son sustancialmente diferentes las diseñadas para bombas horizontales. Así, centrándonos en aquellas que son el motivo de esta tesina, debemos decir que la dificultad del diseño de estas estaciones de bombeo, se basa en: • La morfología de de las propias bombas: (velocidades relativas altas y pasos de impulsor pequeños). • La poca acción de guiado del propio pozo ( la succión se produce en condiciones casi de remanso). Ambas circunstancias afectan de forma muy importante a las características de las máquinas, a través de su rendimiento y, por tanto, su consumo energético. Por tanto, y teniendo en cuenta que el fabricante de bombas debe de participar en el diseño de la estación de bombeo, ya que puede aportar la información de “su” bomba en particular, es conveniente identificar los parámetros a tener en cuenta para definir la estación de bombeo de forma correcta: submergencia de la máquina. distancias fondo y a paredes circundantes. distancias de interferencia entre bombas. diseño en planta de la estación: distribución de flujo de entrada y circulación en el pozo. caracterización del fluido: filtros y tamices. modelización de la estación de bombeo.
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO Las bombas centrífugas, frecuentemente, se consideran como componentes simples que se pueden insertar en circuitos más complejos. En realidad, es necesario prestar mucha atención a su configuración, que debe estar siempre relacionada con las características del sistema, con las necesidades de bombeo y con las exigencias específicas del usuario. La individualización de una bomba a rodete exige un conocimiento profundo de las condiciones específicas de funcionamiento: quien construye bombas centrífugas debe saber calcular todas las informaciones útiles para el mejor proyecto hidrodinámico posible. Para garantizar el uso correcto de las bombas verticales, es necesario que el usuario suministre al constructor detalles precisos sobre las aplicaciones específicas y en particular sobre los líquidos que tendrá que trasladar la bomba. Además, si es necesario garantizar que estas bombas trabajen bien y puedan ejecutar sus capacidades con eficiencia hay que prestar atención a las instalaciones de la bomba misma, para calcular los efectos de las condiciones de trabajo con líquido agresivo.
ENUNCIACIÓN DEL TEMA Las bombas centrífugas son dispositivos tecnológicos cuyos antecedentes se pueden remontar a más de 1800 años. De hecho, uno de los más famosos inventos del matemático Griego Arquímedes (287-212 AC), fue su famoso “Tornillo de Arquímedes”, que es considerado como una bomba hidráulica primitiva. Por muchos siglos el desarrollo de los dispositivos para impulsar agua, previos a las bombas centrífugas, fue realizado por medio de la empírica técnica. La ciencia de la hidráulica que dio el soporte para el desarrollo tecnológico de las bombas centrífugas se desarrolló intensivamente hasta después del Siglo XVIII. Hoy en día este conocimiento ha sido compendiado y reportado por varios autores. La tecnología de las bombas verticales de pozo profundo actualmente se encuentra dentro de la Etapa No. 3 de Madurez y Difusión General de la Tecnología, según la propuesta del comportamiento del ciclo de vida de la tecnología. En esta etapa de su ciclo de vida, generalmente se dan innovaciones graduales masivas, lo que dificulta la evaluación del desempeño tecnológico de este tipo de dispositivos. Las partes principales de las bombas verticales para pozo profundo son las siguientes: cono de entrada, tazón de acoplamiento, impulsor, tazón de salida, flecha del impulsor y accesorios diversos tales como: acoplamientos, empaques, retenes, bujes y anillos. El tamaño nominal de una bomba centrifuga se determina generalmente por: el diámetro interior de la brida de descarga, el diámetro del impulsor y la velocidad del motor. Los siguientes aspectos constructivos y de diseño son fundamentales en este tipo de bombas: • Se usa el método de los triángulos de velocidad para el diseño y desarrollo de aspas de alta eficiencia el cual está basado en la ecuación de Euler, una de las ecuaciones fundamentales de la hidráulica. • La innovación tecnológica en el diseño de impulsores ha sido intensa en este dispositivo, los cuales han sido cada vez más eficientes en términos de las velocidades de entrada y de salida hidráulicas. • El impulsor cerrado tipo cónico de aspas radiales, es del tipo más utilizado actualmente.
• El análisis de similitud es parte fundamental del diseño de impulsores. Los fundamentos del tema de Análisis de similitud hidrodinámica de la Mecánica de Fluidos se atribuyen a Isaac Newton.
AVANCE TECNOLÓGICO DE LAS BOMBAS VERTICALES.
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo recepcional tiene como finalidad presentar los principales criterios para seleccionar bombas verticales y que a su vez pueda servir de guía y consulta para la comunidad universitaria de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, así como al personal involucrado en los sistemas de bombeo de pozo profundo especialmente a aquellos que manejan las distintas técnicas y procedimientos para la selección de bombas verticales aplicadas a la extracción de agua. La presente tesina se ha estructurado con un marco contextual que proporciona la información suficiente para ubicarse en el conocimiento de las bombas verticales de pozo profundo aplicadas a la extracción de agua. Posteriormente se tiene el desarrollo del marco teórico, la información básica de los diferentes criterios de selección de bombas verticales, el cual se desglosa de la siguiente manera: En primer lugar se describen los Conceptos Generales, en donde se explican ampliamente lo que son las fuentes de abastecimiento, las estaciones de bombeo de agua, así como lo referente al almacenamiento y calidad del agua. En segundo lugar se expone el tema de la Hidrodinámica Básica, entendiendo diferentes definiciones, leyes de conservación y de afinidad, todas ellas aplicables a la selección de bombas verticales. Continúa el trabajo recepcional explicando ahora la importancia de la Determinación de Cargas en un Sistema de Bombeo, que como ya se menciona, se engloban en cargas dinámicas y cargas estáticas, presentando con claridad este tema. Después, el cuarto punto se dedica ya a describir e informar de la Selección de Bombas Verticales de Pozo Profundo, analizando lo correspondiente a las condiciones y requerimiento necesarios para aplicar algún método de selección. En quinto lugar se hace una presentación muy ilustrativa de la Descripción del Equipo de Bombeo, la cual trata de las diferentes secciones que componen en forma constructiva y operativa a las bombas verticales de pozo profundo, Finalmente, dentro de éste marco teórico se desarrolla el tema de la Aplicación de Bombas Verticales de Pozo Profundo, presentando dos casos típicos, con diferentes condiciones para la extracción de agua. Concluye la presente investigación documental con un Análisis Crítico de los Diferentes Enfoques, para así llegar a las Conclusiones y cerrar el tema.
CAPITULO II: DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN Una bomba vertical de turbina con eje lineal está compuesta por cinco componentes básicos. Son estos componentes el conjunto de tazones, los tubos de la columna, los ejes lineales, el cabezal de descarga y la unidad motriz. Conjunto de Tazones El conjunto de tazón, de una sola etapa, de la serie 7000 se compone de una campana de succión (o carcaza de succión) (suction case), un tazón intermedio e impulsor, y una carcasa de descarga. Las unidades de dos o más etapas incluyen una campana de succión, (o carcaza de succión), y múltiples tazones intermedios e impulsores correspondientes. No requieren carcazas de descarga las bombas multi-etapas construidas con eje lineal abierto. Se suministrarán carcazas de descarga para las bombas multi-etapas construidas con ejes lineales encerrados. Consúltese la sección de este manual acerca de conjuntos de tazones para obtener mayor información y descripciones más detalladas. Tubería de Columna Puede obtenerse tubería de columna, bien sea, roscada o bridada para las bombas. Los tubos de columna roscados incorporan roscas cilíndricas (rectas) en ambos extremos de la columna y se juntan sólidamente dentro del acople (de unión). Las longitudes nominales estándar para los tramos de columna son de 5 pies, 10 pies y 20 pies (únicamente para ejes lineales encerrados). Los tubos de columna bridados incorporan encajes de pestaña para asegurar la alineación precisa de la columna y son aseguradas sus juntas por medio de tornillos. Existe disponibilidad de tubos de columna bridados en longitudes estándar de 10 pies o de 5 pies; o pueden suministrarse en cualquier longitud especial de hasta 10 pies. Ejes Lineales El eje lineal de la turbina transmite la torsión desde la unidad motriz de la bomba hasta el conjunto de tazones de la bomba y gira dentro de la tubería de columna. Ambos extremos de cada tramo del eje lineal han sido maquinados a precisión y se aseguran un tramo con otro mediante acoples. Soportan este eje lineal una serie de cojinetes colocados a intervalos específicos; a continuación se hace la descripción de los tipos de cojinetes utilizados así como los métodos empleados para su lubricación: A. Eje Lineal Abierto, Lubricado por el Producto Bombeado. Este diseño está dispuesto de tal manera que tanto el eje lineal como los cojinetes quedan expuestos a, y son lubricados por el líquido que está siendo bombeado. El eje lineal cuenta con soportes situados a intervalos no mayores de 10 pies entre sí, equipados con cojinetes que trabajan sobre camisas colocadas en el eje. Se emplean retenedores porta - cojinete (tipo araña) para el soporte de estos cojinetes. Queda acomodada y asegurada la circunferencia externa de cada retenedor (tipo araña) entre dos extremos de la columna. B. Eje Lineal Encerrado. El eje lineal está rodeado por tubería en el diseño con eje lineal encerrado. Esta tubería protege, tanto al eje, como a los cojinetes del líquido bombeado y provee un canal para la lubricación de los cojinetes del eje. Los cojinetes están dotados con ranuras maquinadas en su diámetros interiores para permitir que fluya el lubricante desde un cojinete hacia el siguiente. Asimismo, se utilizan estos cojinetes, que son
roscados en su diámetro exterior, para conectar cada uno de los tramos de tubo de encerramiento de 5 pies en longitud, con el siguiente. Normalmente se efectúa la lubricación con aceite o con agua proveniente de una fuente separada. Para fijar la tubería de encerramiento pueden utilizarse arañas de soporte dispuestas a intervalos desiguales, con la finalidad de reducir el riesgo de vibraciones. Cabezales de Descarga Las múltiples funciones cumplidas por los cabezales de descarga incluyen: dirigir el flujo de la bomba desde la columna de la bomba hacia el sistema de la tubería de descarga, proveer un método para el sellamiento del eje lineal o para la tubería de encerramiento, proveer una base desde la cual queda suspendida la bomba, y provee una superficie de montaje para la unidad motriz. Los cabezales de descarga de superficie incorporan, tanto el codo de descarga, como también, el pedestal para la unidad motriz en una sola pieza. Puede suministrarse, también, un codo de descarga subterráneo, en cuyo caso se suministra un pedestal por separado para la unidad motriz. Puede suministrarse una conexión de descarga, bien sea, común y corriente, o bridada para cualquiera de los dos diseños. Es maquinada la superficie inferior del cabezal de descarga cuando es suministrado en conjunto con un plato base. Unidades Motrices Con base en los requerimientos específicos de trabajo puede suministrarse una variedad de tamaños y tipos de unidades motrices. Las unidades motrices pueden tratarse de motores con ejes huecos verticales o con ejes sólidos verticales, o pueden tratarse de unidades motrices de eje horizontal acoplados a cajas de engranajes angulares a noventa grados (right angle gears). Normalmente se emplea una unidad motriz vertical equipada con eje hueco. Con esta configuración el eje lineal pasa a través de la unidad motriz, cuyo posicionamiento se hace con una tuerca de ajuste para acomodar el ajuste de los impulsores y donde dicho eje lineal es conectado a la parte superior de la unidad motriz por medio de una manzana o acople de mando enchavetado. Las unidades motrices equipadas con ejes sólidos requieren de la utilización de acoples ajustables especiales a fin de conectar el eje de la bomba y, a la vez poder acomodar el ajuste de los impulsores.
MARCO CONTEXTUAL Las turbomáquinas son maquinas que transforman energía mecánica (P = M·w) en energía de fluido (P = φ·Q·H) o viceversa. Las turbomáquinas constan fundamentalmente de una rueda de álabes, llamada rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los álabes es tal, que cada dos consecutivos forman un conducto que obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza sobre dichos álabes. En el rodete tiene pues una transformación de energía del flujo en energía mecánica o viceversa. En el primer caso sería turbomáquinas productoras de energía mecánica, o simplemente turbinas. En el segundo caso tenemos turbomáquinas consumidoras de energía mecánica. A las productoras de energía mecánica, turbinas, pertenecen las turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbinas de gas. A las consumidoras de energía mecánica pertenecen las bombas hidráulicas, los ventiladores y los turbocompresores. En cuanto a la base de funcionamiento tenemos las bombas de desplazamiento y las bombas de intercambio de cantidad de movimiento. Las bombas de desplazamiento posen un contorno móvil que obliga al fluido a avanzar a través de la máquina. Tanto a la entrada como a la salida de estas máquinas existen unas válvulas que se abren y cierran alternativamente. Por otro lado, las bombas de intercambio de cantidad de movimiento, como se ha comentado, forman parte de las turbomáquinas. Según la dirección del flujo a la salida del rodete, pueden subdividirse en los siguientes grupos: Bombas centrífugas (salida perpendicular al eje) Bombas hélice (flujo paralelo al eje) Bombas helicocentrífugas (flujo mixto) Las bombas centrífugas elevan poco caudal de agua a una gran altura, se utilizan principalmente en el abastecimiento de agua. Su velocidad específica varía entre 10 y 100, consiguiéndose el mejor rendimiento con velocidad especifica 50. Las bombas hélice (axiales) eleva mucho caudal a poca altura, son utilizadas en saneamiento, elevación de grandes trasvases y procesos industriales. Su velocidad específica varía entre 200 y 320, encontrando el mejor rendimiento con una velocidad específica de 250. Las bombas helicocentrífugas trabajan entre ambos campos de aplicación, por lo que pueden utilizarse en cualquiera de estos campos con sus limitaciones. Su velocidad específica está comprendida entre 75 y 200, encontrándose el mejor rendimiento en las de velocidad específica 130. Recordemos que la velocidad específica tiene carácter adimensional, fijándose con ella toda la familia geométricamente semejante en condiciones análogas de funcionamiento. Relacionan la velocidad angular de giro, el caudal trasvasado y la altura salvada.
Nos centraremos en las centrífugas, ya que son de clara aplicación a las necesidades de abastecimiento de agua desde sondeos. Las bombas centrífugas pueden clasificarse a su vez: Bombas centrífugas horizontales. Bombas centrífugas verticales. Bombas centrífugas sumergidas. Las bombas centrífugas horizontales hacen mención su nombre a la orientación de su eje. Ocupan más espacio que las bombas verticales. Son económicas y de fácil mantenimiento. Presentan problemas por descebado. Las bombas centrífugas horizontales se clasifican en: Monobloc: Eje único para el motor y la bomba. Facilita la instalación y de menor coste del conjunto. En caso de avería dependemos del fabricante. Eje libre: Los ejes son distintos. Es necesario su acoplamiento. Hay que prestar gran atención a la bancada y a la alineación de los ejes. Nos da libertad en la averías al poder independizar motor y bomba. Las bombas centrífugas verticales se instalan con el eje en posición vertical. Usualmente la bomba va sumergida y el motor suspendido sobre una plataforma, estando ambos conectados a través de un eje de transmisión. Presenta graves problemas de alineamiento, precisamente conseguir una perfecta verticalidad es lo que determina la vida de estos equipos, y no deben de instalarse a más de 9 ó 10 metros. Las reparaciones son costosas. Las bombas centrífugas sumergidas son equipos en los que el motor (estanco) y la bomba está unidos y sumergidos. Siempre está en carga y se pueden instalar en pozos profundos. Precisamente la instalación de este tipo de bombas es el objeto de estudio de esta ponencia. Podemos encontrarnos bombas de cuerpo único o de cámara partida, la diferencia se encuentra si el acceso al rodete se realiza por la brida de aspiración, o por el contrario se encuentra seccionado por un plano horizontal a la altura del eje. Como se ha indicado en la introducción tenemos que seleccionar equipos que cumplan con la máxima fiabilidad técnica y la mayor eficiencia económica. La fiabilidad técnica viene a relacionar las posibilidades de avería del equipo. Por ser el agua un bien de muy primera necesidad, una avería en una instalación de electrobomba de un sondeo puede dejar desabastecida de agua una población, por lo que es responsabilidad del gestor del sistema de bobeo o servicio de suministro, el procurar la máxima fiabilidad de los equipos instalados. Por otro lado debemos de procurar la máxima eficiencia económica, y ello se consigue con el mayor ahorro energético, directamente relacionado con el concepto de rendimiento.
FIGURA A: ESTRUCTURA DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL.
Recordemos que eficiencia es la capacidad de realizar una acción (en nuestro caso trasegar agua) con el menor gasto de recursos (energía). También habrá que tener en cuenta los gastos de mantenimiento y de adquisición de los equipos. Si tenemos en cuenta el costo que arroja una instalación de bombeo desde la adquisición de los equipos hasta el fin de su vida útil tenemos aproximadamente:
Gastos de adquisición de equipos: 2%. Gastos de mantenimiento: 5%. Gastos de energía: 93%.
Lo que nos indica donde debemos de hacer una mayor incidencia a la hora de seleccionar los equipos, en la eficiencia energética de los mismos. Vuelvo a recalcar que no debemos de olvidarnos de la fiabilidad técnica, ya que de ella dependerá la calidad y regularidad del suministro. Se define rendimiento de una máquina como la relación (cociente) entre la potencia de salida de la máquina y la potencia de entrada. Dado que las máquinas tienen unas pérdidas, la potencia de salida es menor que la potencia de entrada, por lo que el cociente es siempre menor a la unidad (o menor al 100%). La curva altura-caudal nos indica la altura manométrica que proporciona la bomba en función del caudal impulsado. Esta curva nos muestra la capacidad de aplicar (es más propio decir transformar energía mecánica en energía de fluido) energía al fluido. Partiendo del balance de energía que constituye la ecuación de
Bernoulli, entre los puntos de entrada y salida de la bomba, y las perdidas hidráulicas existentes en el interior de la bomba, obtenemos: H = A + BQ + CQ2 Es decir que las curva altura-caudal de cualquier bomba se asemeja a una parábola, sometida a una ecuación de segundo grado. Hay que tener en cuenta que las curvas de las bombas se determinan para una velocidad angular (rpm) determinada, al variar esta velocidad las curvas han de ser modificadas. Para el proyectista o diseñador de la instalación, así como para su gestor, necesita conocer la curva rendimiento-caudal. Para ello hay que efectuar una análisis cualitativo de las pérdidas existentes en bombas. Tenemos las perdidas hidráulicas (fricción o choque) antes mencionadas además de las pérdidas por fugas y las mecánicas. Obtenemos: η = EQ + FQ2 Vemos que el rendimiento se semeja también a una curva definida por ecuación de segundo grado sin término constante. Tenemos dos curvas más, que de igual modo deben ser aportadas por el fabricante, la curva potencia-caudal, en la que se relaciona la potencia absorbida en función del caudal, y la de Altura Neta Positiva de Aspiración Requeridacaudal. La altura neta positiva de aspiración requerida, NPSHr (del inglés Net Positive Suction Head), es la energía en altura que necesita la bomba a la entrada para hacer el recorrido desde esa entrada hasta el punto de mínima presión, en que comienza a recibir energía, sin que aparezca la cavitación. Ese punto de energía mínima se encuentra inmediatamente después de la entrada al impulsor, en la parte cóncava de los álabes. Para la selección de una bomba debemos de conocer en primer lugar una serie de datos, a saber: Caudal de diseño: Es el caudal que queremos extraer del sondeo, siendo este compatible con el aforo del mismo. Nivel estático del sondeo: Es la distancia medida desde la boca del sondeo a la lamina de agua, una vez ha estado en reposo un tiempo prudencial. Nivel dinámico del sondeo: Es la distancia medida desde la boca del sondeo a la lamina de agua, impulsado el caudal de diseño. Este dato se obtiene del aforo del sondeo. Diámetro del sondeo: Es el diámetro del sondeo. Profundidad del sondeo: Es la profundidad total del sondeo medida desde la boca del sondeo. Tensión de alimentación: Es la tensión a la que disponemos la energía eléctrica. Altura elevación: Es la altura a la que proyectamos elevar el agua desde la boca del sondeo. Diámetro de la impulsión: Es el diámetro del tubo de impulsión del sondeo. Perdidas carga impulsión: Son las pérdidas de carga que el caudal de diseño produce en el tubo de impulsión. Perdidas menores: Son las pérdidas que introducen elementos como codos, válvulas, y otros accesorios.
Altura manométrica de la impulsión: Es la energía necesaria para elevar el agua al punto proyectado desde la bomba, está formada por la suma del nivel dinámico del sondeo, las pérdidas de carga de la impulsión y las perdidas menores. NPSHd: Es la altura, o energía, bruta disponible que tiene el flujo a la entrada de la bomba. En la práctica podemos obtenerla como la distancia entre el primer rodete y la lamina de agua en dinámica, más 1,5 metros de seguridad.
Como se ha indicado el caudal será el compatible con el aforo. Es aconsejable extraer el caudal máximo, siempre que tengamos capacidad de regulación y almacenaje de agua, ya que de esta manera para un volumen determinado de necesidad de agua, podemos extraerla en horas donde el coste energético sea mínimo. En cuanto a la altura de elevación esta será la suma de la altura geométrica (diferencia entre la cota del nivel de la lamina de agua del sondeo y el punto a abastecer), la altura necesaria al final de la conducción como presión, y por último las pérdidas de carga. Las pérdidas de carga se deben tanto a la conducción como elementos insertados en la red (codos, válvulas, etc.). Las pérdidas de carga en la tubería es directamente proporcional a la longitud de la tubería, al cuadrado del caudal, al factor de fricción e inversamente proporcional al diámetro. En este punto debemos observar el diámetro económico de la conducción descrito en el capítulo de instalación hidráulica. Una vez conocidos estos datos, la selección de la bomba se centra en buscar la bomba, de sección acorde al sondeo, que en su curva altura-caudal contiene nuestro punto de funcionamiento (caudal de diseño y altura manométrica de impulsión), y a su vez en la curva de rendimiento-caudal, el caudal de diseño arroja el rendimiento máximo. Debemos de comprobar que el NPSHd es mayor que el NPSHr. Además es importante tener en cuenta la relación entre la sección útil del sondeo en el punto de instalación de la bomba y la de la propia bomba, ya que el agua que circula entre la pared del sondeo y la superficie exterior del motor de la bomba ha de cumplir un caudal mínimo para que se produzca la adecuada refrigeración del motor, en caso contrario se deberá instalar al motor unas camisas de refrigeración. Si tomamos como diámetros tipos pares de pulgadas (4”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”), la bomba seleccionada será de al menos un diámetro menor que el diámetro del sondeo. Como la capacidad de refrigeración del agua depende de la velocidad, a medida que haya mayor diferencia entre el diámetro del sondeo y el de la bomba el caudal deberá de ser mayor, siendo este caudal el extraído por la bomba. Las velocidades mínimas son del orden de entre 8 cm/s y 16 cm/s. Ante la existencia de varias bombas semejantes que cumplen estas premisas, debemos reflexionar acerca de la posible evolución del sondeo, en lo que el caudal que en el futuro será posible extraer y la evolución del nivel dinámico.
MARCO TEORICO 1.1 FUENTES DE ABASTECIMIENTO. Desde el punto de vista del origen del agua que se consume, así como la población abastecida, los sistemas de abastecimiento de agua para el consumo humano pueden ser clasificados en: 1.1. A. Sistemas individuales: * de aguas subterráneas (pozos y manantiales) * de aguas superficiales (ríos, arroyos, lagos) * de aguas de lluvia (cisternas o aljibes) Clasificación de los pozos. Según sea el origen del agua que captan y el procedimiento seguido para su construcción, los pozos pueden clasificarse como: - Los que captan el agua del manto freático (pozos rasos, freáticos o someros): * excavados (más de 0,80 m de diámetro) * perforados o tubulares (entre 0,05 y 0,40 m) -
Los
que
captan
el
agua
del
manto
profundo
(pozos
profundos).
1.1. B. Sistemas públicos: acueductos Las partes fundamentales que constituyen un sistema público de abastecimiento de agua son las que se exponen a continuación: -
Fuente de abasto Captación Conductora: por bombeo o por gravedad Almacenamiento (tanques) Planta de tratamiento Red de distribución Acometida domiciliaria
Fuente de abastecimiento. Cuerpo de agua de que se sirve un acueducto o sistema individual para el suministro a una comunidad u otros usos, mediante órganos de captación. Conductora. Tubería cuya función es hacer posible la circulación del agua de un acueducto desde su captación hasta los demás órganos del sistema. En algunos países se le denomina tubería maestra. Planta de tratamiento. Órgano de un sistema de acueducto que se instala con el propósito de mejorar la calidad del agua desde el punto de vista sanitario, estético y económico, de manera que sea apta para el uso previsto Red de distribución. Sistema de tuberías que conducen el agua dentro de las
poblaciones, hasta los puntos donde se instalan las tomas o acometidas que la llevan al interior de las viviendas y otros locales. Sistema de distribución celular. Es un sistema de abastecimiento que fue delimitado para suministrar a un número determinado de casas y que tiene una sola entrada de agua para su medición. Está formado por: -
Un tanque de almacenamiento cuya altura oscila entre los 14 y 20 metros Un macro medidor o punto de control en el tanque de almacenamiento. Una red secundaria que abastece a cada una de las tomas domiciliarias. Toma domiciliaria.
El agua que llega al tanque de abastecimiento por uno o más pozos a través de las redes primarias de agua potable. Se instalan macro medidores electromagnéticos de alta tecnología que puede medir caudales mínimos nocturnos. La red secundaria de cada célula es capaz de abastecer cada una de la toma domiciliaria, y pueden abastecer de 1000 a 3000 casas. Las tomas domiciliarias son el último componente del sistema célula. Estas están en cada casa y su función es proveer agua y medir el consumo en forma individual. Estas tomas se componen de una llave de paso y un medidor para caudales pequeños. Alcantarillado. Está conformado por una red de tuberías y registros o pozos de visita que, de acuerdo a su función, se dividen en subcolectores, captan el agua residual de una zona determinada (fraccionamiento, parque industrial, etc.) para enviarla a los colectores, los cuales son redes de mayor capacidad y a su vez la conducen a los emisores, para finalmente depositarla en las plantas de tratamiento. Recolección Pluvial. La red de recolección pluvial es la infraestructura que permite captar y conducir las aguas provenientes de las lluvias, para ser desalojadas y descargadas en sitios destinados para ello. Esta red está compuesta de colectores pluviales, drenes a cielo abierto y bordos. Los colectores pluviales captan el agua de una zona determinada y la conducen a los drenes para ser desalojada. Los bordos son obras en los cuales se contiene y almacena el agua de escurrimientos y una vez que están llenos, mediante un sistema controlado, la conduce por los drenes para su desalojo
1.2 ESTACIONES DE BOMBEO. 1.2.1 Gastos de Bombeo. La estación de bombeo trabajará con un gasto máximo igual al del día de máximo consumo y se deberán considerar capacidades de bombas para los gastos mínimo y menores que el máximo, mientras que se llega al periodo de diseño. Los equipos de bombeo pueden ir aumentándose a medida que lo requieran las necesidades. 1.2.2 Cargas de Bombeo. Deberá obtenerse y analizarse la información relacionada con la Carga Dinámica Total (CDT): alturas de succión y descarga y alturas totales, estáticas y dinámicas, que se tendrán bajo las diferentes condiciones de bombeo. 1.2.3 Requisitos de Potencia (teórica). Los requisitos de potencia son el producto de los gastos y altura de bombeo, considerando la eficiencia de los equipos. La fórmula principal para estimar la potencia teórica necesaria para los motores, es la siguiente:
Pot (HP) = QH / Kη Donde: HP = Potencia necesaria (en caballos). Q = Gasto, en litros por segundo, o galones por minuto. H = Carga dinámica total, en metros columna de agua (mca) o en pies. K = Coeficiente de conversión: 76 para Sistema Métrico, 3960 para Sistema Inglés. η = Eficiencia del equipo de bombeo: Bombas chicas ¾” a 2” de succión 30 – 50% Bombas medianas 2” a 6” de succión 50 – 75% Bombas grandes 6” o mayores 75 – 80% 1.2.4 Tipo y Número de Bombas. Los diferentes tipos de bombas que existen en la industria, son de características tan variadas que rebasan, con mucho, los alcances del presente documento, por lo que a continuación se presenta su clasificación, considerando únicamente las de mayor utilización, en los sectores de agua potable, aguas negras y pluviales que son de tipo centrífuga. 1.2.4. A. Clasificación de las bombas por el tipo de succión. Las Bombas, de acuerdo con su tipo de succión, se pueden clasificar en : Simple Succión. Doble Succión.
Autocebantes
Flujo Radial Flujo Mixto
Simple Succión Doble Succión
Cebadas p/medios externos Unipaso Multipaso
Flujo Axial
Simple Succión
Imp. Abierto Imp. Semiabierto Imp. Cerrado.
Unipaso Multipaso
TABLA DE CLASIFICACIÓN DE BOMBAS
Clasificación de las bombas por su dirección de flujo. Bombas de Flujo Radial. Bombas de Flujo Axial. Bombas de Flujo Mixto. Clasificación de las bombas por la posición de su flecha. Bombas horizontales. Bombas verticales. Bombas con motor sumergido. Para la selección de cada tipo de bomba, deberán tomarse en cuenta los siguientes factores: a) Succión b) Numero de pasos. c) Tipo de impulsores. d) Curvas características. e) Velocidad. f) Sumergencia, carga neta positiva de succión (NPSH), g) Estudio de cavitacion si fuera necesario. El número de bombas a instalar dependerá del gasto, sus variaciones y seguridad del sistema, con un mínimo de dos bombas para el 100% del gasto de proyecto cada una. Inclusive en sistemas de abastecimiento para grandes poblaciones se aconseja tener un equipo de bombeo para manejar el 200% del gasto de diseño de la estación. Este valor puede reducirse pero en general es conveniente un valor mínimo de 150%, con tres bombas, cada una para el 50% del gasto de diseño.
1.2.5. Características del Cárcamo de Bombeo. Pueden ser de una sola cámara o de dos; alturas de succión; accesos. SUCCIÓN MÁXIMA A DIFERENTES ALTITUDES Altura sobre el nivel del mar
Presión barométrica, Kg/cm2
Altura equivalente m de agua
Succión máxima disponible de las bombas m.
0
1.033
10.33
7.60
400
0.966
9.86
7.30
800
0.938
9.38
7.00
1200
0.890
8.90
6.40
1600
0.845
8.45
6.10
2000
0.804
8.04
5.80
2400
0.765
7.65
5.50
3200
0.695
6.95
5.20
FIG 1.1: ESQUEMA DE UNA BOMBA VERTICAL.
1.2.6. CLASIFICACION Y TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO. Se acostumbra clasificar las estaciones de bombeo en primarias y secundarias. Las estaciones primarias toman el agua de alguna fuente de abastecimiento o de algún cárcamo, y la elevan a otro almacenamiento, al tratamiento, a la red directamente o a una combinación de ellas. Las estaciones secundarias mejoran las condiciones de una primaria incrementando presión o gasto, pero con la alimentación de una estación primaria. 1.2.6. A. Tipos Básicos. Las estaciones primarias pueden construirse básicamente de dos tipos: a) Estaciones de dos cámaras. b) Estaciones de una cámara. 1.2.6. A. a. Estaciones de dos cámaras. Se consideran dos cámaras o cárcamos. En uno se tendrá la entrada del agua y un deposito que sirva para conectar la succión; en el otro, que se denomina cámara seca, se colocan los equipos de bombeo. La primera cámara puede no existir como tal, sino que puede ser simplemente una fuente natural. 1.2.6. A. b. Estaciones de una cámara. Generalmente se usan para bombas de eje vertical o sumergible y consisten de una sola cámara donde se tiene la entrada del agua, el almacenamiento necesario y los equipos de bombeo, antes mencionados. 1.2.6. B. Dimensionamiento de las Cámaras Secas. Las cámaras secas se dimensionaran de acuerdo con el número y dimensión de las unidades de bombeo a instalarse. Sin embargo, deberá considerarse el espacio para lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5.
Válvulas y accesorios. Controles eléctricos. Amortiguadores de golpe de ariete. Apoyos y atraques. El múltiple a construirse adentro o fuera del cárcamo.
Cámara Seca
Cámara Húmeda
FIG 1.2: ESTACIÓN DE BOMBEO CON BOMBAS VERTICALES EN DOS CÁMARAS.
Succión
Cámara Húmeda Cámara Seca
Múltiple de Descarga
FIG 1.3: ESTACIÓN DE BOMBEO CON BOMBAS HORIZONTALES EN DOS CÁMARAS (GENERALMENTE CON CARGAS DE SUCCIÓN).
Las unidades se colocarán de modo que ocupen el mínimo espacio y debe considerarse la circulación entre unidades y el tamaño de las bases.
Las cámaras de succión (pozo húmedo) en estaciones de dos cámaras se dimensionaran según se tenga una instalación con carga de succión o altura de succión. 1.2.6. C. Cámaras con Carga de Succión: a)
Se debe considerar una altura mínima del agua de 1m sobre el eje de las bombas para asegurar que siempre estarán cebadas. En caso de bombas muy grandes, debe considerarse un mínimo de 0.50m por sobre la parte más alta de la carcasa de la bomba.
b) La longitud será la misma que la de la cámara seca. c)
Podrán quedar ambas cámaras adosadas con un muro común o separado, dependiendo esto primordialmente del comportamiento del suelo.
d) El ancho será el mismo para asegurar un volumen que permita absorber fluctuaciones entre entradas y salidas de tal manera que las bombas no paren y arranquen con frecuencia. Un mínimo de 15 minutos puede considerarse aceptable aun cuando deberá tenderse a valores mayores.
FIG 1.4: CÁMARA CON CARGA DE SUCCIÓN.
1.2.6. D. Cámaras con Altura de Succión: a) El nivel mínimo del agua en la cámara de succión se considerara en atención a : • •
La carga neta positiva de succión para evitar cavitación, vibraciones y reducción en la capacidad y eficiencia. La altura mínima sobre la boca se succión para evitar la entrada del aire (valor común: más de 0.50m dependiendo del diámetro de la boca).
b) La longitud y el ancho se consideraran igualmente que en el caso anterior. Las cámaras para bombas de eje vertical se dimensionarán de acuerdo con: las dimensiones de los equipos; el volumen de compensación, y la altura mínima del agua para tener la sumergencia adecuada (dato del fabricante).
c)
FIG 1.5: CÁMARA CON ALTURA DE SUCIÓN.
La distancia entre el fondo del cárcamo y la campana de succión deberá ser como se indica en la figura 1.6.
FIG 1.6: DISTANCIA DEL FONDO DEL CÁRCAMO A LA CAMPANA DE SUCCIÓN.
1.2.6. E. Dimensionamiento de la Cámara Húmeda.
El dimensionamiento de un cárcamo depende del tipo de que se trate. En un cárcamo de flujo constante no es importante el volumen del mismo, aunque se deben guardar ciertas dimensiones geométricas (que son las que definen su volumen), ya que las cámaras no retienen ni regulan el gasto, puesto que el agua que entra es evacuada por las bombas inmediatamente. En un cárcamo de tipo intermitente es muy importante el volumen que se retiene en la o cámaras de bombeo. Sin embargo, el dimensionamiento geométrico para un gasto normal de operación es el mismo para ambos tipos. Por otro lado, es conveniente diseñar un cárcamo cuyo volumen sea el mínimo posible, pero compatible con las condiciones adecuadas de operación. Esto plantea la necesidad de establecer una relación conveniente entre dicho volumen, los caudales, el requisito de tiempo de retención, las características del equipo de bombeo y el programa de operación (tiempos de arranque y parada) de dicho equipo. La duración mínima de un ciclo de bombeo se presenta cuando el caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba; en estas condiciones la duración del tiempo en que está encendida la bomba es igual al tiempo en que permanece apagada. Si el caudal es mayor la bomba permanecerá encendida por más tiempo y viceversa; en ambos casos, la duración del ciclo es mayor que el mínimo. Para bombas y motores grandes, T (duración mínima de un ciclo de bombeo en minutos) no debe ser menor que 20 minutos. Para bombas menores, T puede ser reducido a 10 minutos, aunque lo recomendable es 15 minutos. Si esto conduce a un volumen excesivo de una estación de bombeo pequeña que tiene dos bombas idénticas, una de las cuales es de reserva, se puede reducir a la mitad el volumen del cárcamo operando las bombas en forma alternada, ya que esto ocasiona que el valor de T para el cárcamo sea la mitad del valor efectivo de T para el equipo. En lo que se refiere a la capacidad de los equipos de bombeo, es conveniente asignar 2 equipos para cada capacidad (las bombas menores, serían destinadas a los caudales cercanos al mínimo) y operarlos alternadamente. La determinación del volumen del cárcamo se hace en función de los tiempos de duración del ciclo de operación y de las capacidades de los equipos de bombeo. 1.2.6. F. Alternativas para calcular el volumen del cárcamo. Análisis del diseño de un sistema de bombeo, que trabaja parando, las bombas) a nivel mínimo y arrancando cuando el agua alcanza el nivel máximo. Los valores límites que deben observarse son: Variable tp (min). Tiempo de paro en flujo mínimo
Valor Límite 30 minutos
Observaciones Se requiere evitar sedimentación excesiva y septicidad.
Tf (min). Tiempo de funcionamiento en flujo mínimo. K Número de ciclos por hora en flujo máximo
3 a 5 minutos 12 ciclos/hr
Se requiere evitar un número excesivo de arranques al motor.
1.2.7. Planteamiento de la Instalación. El fabricante del equipo de bombeo deberá proporcionar todos los datos necesarios para poder plantear correctamente la instalación. Sin embargo, pueden hacerse anteproyectos de la estación utilizando catálogos o usando los datos de una bomba semejante a la que se pretenda instalar. Una vez conocidas las características del equipo que se adquirirá, pueden hacerse los ajustes necesarios. Una instalación puede estar incorrecta cuando afecta: I. El consumo de potencia debido a perdidas por fricción, alta carga de velocidad y otras perdidas, sin afectar directamente la eficiencia de la bomba. II. La eficiencia de la bomba debido a pérdidas hidráulicas, turbulencia, vortices y/o entrada de aire en la succión. 1.2.7. A. Recomendaciones para una correcta instalación del equipo. Es común que se de mayor importancia a la elección de la bomba y equipos de cebado sin consideración debida a la importancia de las tuberías y accesorios, lo que puede afectar la eficiencia de la estación. Por consiguiente, deberá tomarse en cuenta lo mostrado en la siguiente figura.
FIG 1.7: INSTALACIÓN INCORRECTA DE TUBERÍAS.
1.2.7. A.1. Reglas generales a considerar. 1. Nunca deberán usarse tuberías de diámetro menor que los diámetros de succión y descarga de la bomba, de preferencia mayores.
2. El diámetro de la tubería de succión será igual o mayor que el diámetro de la tubería de descarga. 3.
Úsense reducciones excéntricas en la succión para evitar la formación de bolsas de aire. Las figuras 1.7 y 1.8 ilustran la instalación incorrecta y correcta, respectivamente.
FIG 1.8: INSTALACIÓN CORRECTA DE TUBERÍAS
4. Los aumentos y reducciones en la descarga y succión deberán graduales para que aseguren un escurrimiento eficiente y ahorro de energía. 5. Deben instalarse las tuberías de succión y descarga lo más directamente posible y con un mínimo de codos y otras piezas especiales. 6. La tubería de succión deberá ser colocada exactamente horizontal o con pendiente uniforme hacia arriba del cárcamo de succión hacia la bomba. 7.
Nunca debe ponerse un codo en un plano horizontal directamente en la brida de descarga de la bomba. Entre el codo y la brida de succión úsese un tramo recto de por lo menos 4 a 6 veces el diámetro del tubo. Las figuras 1.9 y 1.10 muestran instalaciones incorrecta y correcta, respectivamente. Un codo en las circunstancias desfavorables señaladas causa empuje desigual y pérdidas hidráulicas. Esto se debe a un mejor llenado de un lado de la cámara de succión y ojo del impulsor que en el otro.
FIG 1.9: INSTALACIÓN INCORRECTA DE CODO EN PLANO HORIZONTAL.
FIG 1.10: INSTALACIÓN CORRECTA DE CODO EN PLANO HORIZONTAL.
8. Siempre que sea posible, la reducción en la succión y el aumento en la descarga deberán instalarse directamente a las bridas de la bomba. Esto producirá las pérdidas hidráulicas que puedan afectar la eficiencia de la bomba. Esto producirá mejor conversión de la velocidad y reducirá las pérdidas hidráulicas que puedan causar válvulas o codos conectados directamente y que puedan afectar la eficiencia de la bomba. 9. Selecciónense tuberías, válvulas y piezas especiales de un tamaño tal que resulte económica la instalación. En general, se puede decir que los diámetros pequeños aumentan el costo de bombeo, pero el costo inicial es menor; los diámetros grandes reducen el costo de bombeo, pero el costo inicial es grande. 10. Las instalaciones con codos verticales pueden hacerse como se indica en las figuras siguientes :
FIG 1.11: INSTALACIÓN RECOMENDADA DE CODO VERTICAL.
FIG 1.12: INSTALACIÓN NO RECOMENDADA PERO PERMISIBLE DE CODO VERTICAL.
1.2.7. A.2. Requisitos en la succión. 1. Asegúrese que la presión absoluta sea mayor que la presión de vapor de agua. 2. Siempre que sea posible evítense las instalaciones con altura de succión. Cuando se tenga que hacer así, se deberá hacer el estudio de la altura de succión permisible. 1.2.7. A.3. Requisitos en la descarga. 1.
2.
3. 4.
5.
Deberá instalarse una válvula de seccionamiento y una de retención junto a la bomba. Colóquense la válvula de retención entre la bomba y la válvula de seccionamiento y después del aumento. La válvula de retención protegerá la bomba contra sobrepresiones durante un golpe de ariete si se usa válvula de pie, y contra rotación contraria si no se usa válvula de pie. La válvula de seccionamiento puede usarse para controlar el gasto de la bomba. Los aumentos en la descarga son concéntricos. Las conexiones al múltiple de descarga deberán ser similares a las que se recomiendan en el inciso anterior, considerándose obviamente el escurrimiento en sentido contrario. En muchas ocasiones es necesario mantener el nivel en el cárcamo de succión. Si las salidas son mayores que las entradas podrán tenerse arranques y paradas frecuentes. Esto podría eliminarse con el uso de una derivación o paso lateral, conectando el múltiple de descarga con el cárcamo de succión intercalando una válvula de seccionamiento.
1.2.8. Materiales. 1. En general, las válvulas son de fierro fundido y requieren conexión con bridas. 2. Las piezas especiales pueden ser de acero, fierro fundido o fierro negro. 3. En general, se recomienda que los múltiples sean de acero con piezas soldadas. Los múltiples de fierro fundido usados con conexiones con bridas pueden requerir la función de muchas piezas que no sean de fabricación estándar. 4. Las líneas de succión y descarga pueden ser de acero, fierro fundido y fierro negro. 1.2.9. Accesorios. 1. Juntas flexibles. En general, se usan juntas Gibault para conectar tuberías de fierro fundido y asbesto-cemento y juntas Dresser para tuberías de acero. 2. Atraques. Las tuberías deberán atracarse perfectamente y se deberá hacer el cálculo de la fuerza que actuará en ellas para lograr un diseño adecuado. 3. Provéanse las conexiones para el dispositivo amortiguador del golpe de ariete.
4. En las líneas de descarga habrá que colocar válvulas de entrada y alivio de aire en las crestas para evitar vacíos por rotura de la columna de agua y para eliminar aire acumulado.
FIG 1.13: INSTALACIÓN DE DESCARGA MEDIANTE MÚLTIPLE.
1.2.10. Consideraciones adicionales. • Las bombas en instalaciones interiores se colocarán en lugares limpios, secos e iluminados. • En instalaciones exteriores, lo importante es la elección apropiada del motor (a prueba de goteo, a prueba de polvo o ambas). • Se proporcionará suficiente espacio para que, en un caso dado, se pueda desarmar la bomba. • Para bombas grandes con carcasas y rotores pesados deberá preverse una grúa viajera o facilidades para colocar un polipasto. • En estaciones interiores conviene tener un buen sistema de drenaje o un sumidero con bomba de achique. • Las bases para apoyar bombas centrífugas operadas con motores eléctricos no requieren un análisis dinámico como sería el caso de apoyar bombas recíprocas, o bombas centrífugas operadas con motores de combustión. • Para el caso más común, como bombas con motores eléctricos, las bases son cualquier estructura suficientemente pesada para proporcionar un soporte rígido al área total de la placa de apoyo y absorber cualquier esfuerzo y vibración normales. • Las bases de concreto semienterradas son las más satisfactorias. Las dimensiones dependerán del tamaño del equipo y de las características del suelo. • El fabricante proporcionará los dibujos necesarios para la localización de los pernos de anclaje. 1.2.10. A. Edificios.
La arquitectura y el acceso de una estación de bombeo deben ser atractivos y la operación no debe causar molestias a la vecindad. Deberá tenderse siempre hacia la construcción de estaciones estéticas, interior y exteriormente, con acceso libre al público. Los materiales de muros, pisos, etc., deberán requerir poco mantenimiento (vitricotas, losetas de granito o vinílicas, etc.). La ventilación e iluminación, tanto natural como artificial, son especialmente importantes. Deberá pensarse en posibles modificaciones y expansiones. Las estaciones situadas en áreas residenciales deberán, de preferencia, ser subterráneas y muy silenciosas. Si no es posible, la arquitectura deberá armonizar con la zona circundante. El problema puede también resolverse con el uso de bombas sumergibles. Otros factores que influyen en el diseño son: a) b) c) d) e)
Existencia de taller, almacén, oficinas, baños, etc. La localización interior o exterior de la subestación. La localización de los tableros de control. Las facilidades para mover los equipos. La adecuada localización de los drenajes para evitar la contaminación del agua.
1.3. MOTORES ELÉCTRICOS. La mayor parte de las bombas, ya sean de potables o de residuales, así como ventiladores y cintas de sistemas de depuración están accionadas por motores eléctricos. Un análisis del ciclo de vida de los motores eléctricos muestra claramente que los costes de energía representan una gran proporción de los costes totales de operación (aproximadamente el 97%). Por esta razón, es necesario incluir criterios de eficiencia energética a la hora de adquirir nuevos motores o reemplazar algunos, ya que a través del ahorro de energía y la reducción de la demanda máxima podremos obtener ahorros considerables en los costes totales de operación de los motores. La mejora de la eficiencia de estos motores es el producto de la reducción de pérdidas eléctricas y mecánicas debido a la mejor calidad de los materiales y construcción de los motores. Los motores más eficientes consumen un 2% menos de energía eléctrica en los tamaños grandes y hasta 5% menos en los tamaños pequeños. A primera vista puede parecer que este valor es pequeño, sin embargo, la vida útil del motor permite recuperar la mayor inversión inicial en un período corto (de 1 a 2 años) y seguir obteniendo ahorros durante los años posteriores.
FIG 1.14: MOTOR ELÉCTRICO PARA BOMBA VERTICAL
1.3.1 ADQUISICIÓN DE UNA BOMBA. A la hora de adquirir una bomba, es necesario considerar la eficiencia energética del motor, ya que con motores de alta eficiencia energética se consigue un ahorro de energía que compensa la inversión adicional derivada de la compra, además de presentar mayor vida operativa que los motores estándar. Se ha de tener en cuenta que: • A partir de 2.000 h de operación por año, los motores EFF1 son siempre
más económicos. • Para tiempos de operación cortos, los motores EFF2 son la mejor
solución. También hay que asegurarse de que el nuevo motor funciona a la misma velocidad que el reemplazado, porque las cargas de las bombas centrífugas son extremadamente sensibles a variaciones de velocidad; un incremento de sólo 5 rpm afecta al funcionamiento de la bomba, reduciendo la eficiencia y aumentando el consumo de energía. 1.3.2 REEMPLAZO DE LOS MOTORES DE LAS BOMBAS. Es conveniente realizar un examen de los motores para identificar los que pueden ser reemplazados por otros de mayor eficiencia, con un período de retorno de la inversión corto. Este examen debe centrarse en los motores que excedan un tamaño mínimo y unas horas de operación al año. Así, un criterio típico de selección podría ser: • • • • •
Motor trifásico, de más de 10 kW de potencia. Al menos, 2.000 h de operación al año. Carga constante. Fácil acceso. Motores de eficiencia estándar viejos o rebobinados.
Con estos criterios, los motores se pueden agrupar en tres categorías: •
•
•
Reemplazo inmediato: motores que ofrezcan rápidos períodos de retorno y aumento de la fiabilidad. Esto incluye motores que funcionen continuamente (8.000 o más horas al año). Reemplazo cuando se produzcan fallos: motores con período de retorno inmediato. Cuando estos motores fallen, se reemplazarán por motores más eficientes. Permanencia de la situación actual: motores con períodos de retorno largos. Estos motores son ya eficientes o funcionan menos de 2.000 h al año. Pueden ser rebobinados o reemplazados con un motor similar.
1.3.3 ARRANQUE DE LAS BOMBAS. El arranque de las bombas debe hacerse de forma secuencial y planificada. Debe evitarse el arranque y operación simultánea de los motores (sobre todo los de mediana y gran capacidad), ya que aumenta el consumo de energía, por sobrecarga de líneas y caídas de tensión, además de obligar al propietario a contratar más potencia de la realmente necesaria. 1.3.4 DIMENSIONADO DE LOS MOTORES DE LAS BOMBAS Los motores deben funcionar con un factor de carga entre el 65 % y el 100%. Los motores que operen a menos del 40% de la carga deben ser sustituidos. En las situaciones donde se requiera sobredimensionar debido a picos de carga, se considerarán estrategias alternativas, como un motor bien dimensionado, apoyado por un motor de arranque. El sobredimensionamiento de los motores da lugar a una menor eficiencia. 1.3.5 EQUILIBRIO DE LA TENSIÓN DE LAS FASES El desequilibrio entre las fases no debe ser nunca mayor del 5% y se recomienda que sea inferior al 1 %. El desequilibrio de las fases provoca que las corrientes de las líneas estén desequilibradas, produciendo pulsaciones en el par, incremento de las vibraciones, aumento de las pérdidas, y sobrecalentamiento del motor. Esto hace que disminuya la eficiencia, el factor de potencia y la vida del motor, por lo que debe supervisarse regularmente las tensiones en los terminales de los motores. 1.3.6 PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Es preciso identificar y eliminar las pérdidas en el sistema de distribución, realizando revisiones periódicas, con el fin de descubrir malas conexiones, defectuosas puestas a tierra, cortocircuitos, etc. Estos problemas son fuentes comunes de pérdidas de energía y reducen la fiabilidad del sistema. 1.3.7 RESISTENCIA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN La sección de los conductores debe adecuarse a la corriente que circula por ellos, para minimizar la resistencia del sistema de distribución. Con esto se consigue que las pérdidas en la línea disminuyan, así como las caídas de tensión. 1.3.8 ALINEACIÓN DEL MOTOR CON LA CARGA IMPULSADA EN LA BOMBA. Se debe verificar periódicamente la alineación del motor con la carga impulsada. Una alineación defectuosa puede incrementar las pérdidas por rozamiento y, en caso extremo, ocasionar daños mayores en el motor y en la carga.
1.3.9 LUBRICACIÓN DE LOS MOTORES Debe aplicarse grasas o aceites de alta calidad de acuerdo a las especificaciones de fábrica para prevenir la contaminación por suciedad o por agua, así como instalarse equipos de control de la temperatura del aceite de lubricación. Una mala lubricación aumenta las pérdidas por fricción y disminuye la eficiencia. 1.3.10 REGULADORES DE VELOCIDAD EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. Debido a las variaciones en las necesidades de producción o uso en todo tipo de instalaciones, que funcionan a base de motores eléctricos, no siempre es necesario o justificado que éstos trabajen al máximo de su velocidad y régimen de potencia nominal. Normalmente, se debería aplicar la regulación de velocidad a los siguientes tipos de mecanismos: Mecanismos con carga de Par Cuadrático
Bombas centrífugas Ventiladores Compresores etc
Mecanismos con carga de Par Lineal
Máquinas de procesos mecánicos (pulidoras). Máquinas de tratamiento de la piel. Ascensore s Puentesgrúa Laminador as
Mecanismos con carga de Par Constante
Mecanismos con carga de Potencia Cuadrática
Máquinas herramientas (tornos, máquinas bobinadoras, fresadoras etc)
El par de cargas es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia eléctrica demandada al cubo de la misma. Ahorro máximo. El par de cargas es proporcional a la velocidad, y la potencia eléctrica demandada lo es al cuadrado de lamisma. El par de carga es independiente de la velocidad y la potencia eléctrica demandada es El par de carga es inversamente proporcional a la velocidad y la potencia eléctrica demandada es independiente de la velocidad.
TABLA 2: APLICACIONES DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD SEGÚN TIPO DE MECANISMO
Un caso muy adecuado para la utilización de reguladores electrónicos de velocidad es el accionamiento de bombas, ventiladores y grupos electrógenos. Este tipo de equipos y máquinas están bastante extendidos en los sistemas gestionados por las corporaciones locales. En estos mecanismos (con cargas de par cuadrático), la carga es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia eléctrica demandada lo es al cubo de la velocidad. En estos mecanismos el ahorro es máximo.
Para disminuir la potencia consumida por un motor, ha de adaptase la velocidad del mismo en cada momento según necesidades. Los reguladores electrónicos de velocidad están formados por circuitos electrónicos de potencia que transforman la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia y tensión variables. Pueden ser de dos tipos: • Circuitos con transistores de potencia (PWM). Es la tecnología más
usada y se utiliza preferentemente para potencias menores de 100 kW. • Circuito con tiristores (CSI). Se utilizan preferentemente para potencias mayores de 200 kW. 1.3.10. a. Ventajas que aporta el regulador de velocidad: Energéticas • Un consumo de los motores ajustado a la demanda real de la producción. • Amortiguación de las puntas de demanda de potencia en los arranques. • La reducción de la carga de las líneas de distribución eléctrica en la planta (6%). Técnicas: • Disponibilidad de una amplia gama de velocidades para responder a todas las demandas del proceso sin recurrir a medios mecánicos (válvulas de estrangulamiento, by-pass, etc.). • Reducción de los problemas de reparación y mantenimiento de los equipos al poder utilizar motores de corriente alterna (más sencillos y robustos que los de corriente continua utilizados hasta ahora). • Procesos de arranque y parada de las máquinas más suaves y controlados, provocando menores picos de intensidad en los arranques y eliminando los golpes de ariete en las instalaciones hidráulicas de bombeo. Económicas: • Ahorro de energía producido al elevar el rendimiento del motor. • Menor inversión inicial de coste entre el motor de alterna, al de continua. • Reducción costes de mantenimiento e instalación, tanto en costes directos como indirectos por parada en proceso de producción. • Mejora del factor de potencia debido a la presencia de rectificadores que se comportan como baterías de condensadores.
1.3.11. PRINCIPALES FORMAS DE VARIACIÓN DE VELOCIDAD QUE TIENE SU ORIGEN EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS. • Motor trifásico de C.A. con rotor en cortocircuito aplicado a • • • • •
diferentes procedimientos de regulación de velocidad y accionamiento. Motor trifásico de C.A. con rotor bobinado. Motor trifásico de C.A. con rotor en c/c, con variación de velocidad por variador de frecuencia. Motores de varias velocidades de C.A. Motor de C.C.: de excitación independiente, de excitación en serie, de excitación derivación, de excitación compuesta. Motores especiales: motores paso a paso, Motores tipo brushless, motor universal, otros.
1.3.12. CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN MOTORES. El factor de potenciase corrige mediante condensadores. El hecho de disponer de una batería centralizada de condensadores, no evita que los efectos de un bajo factor de potencia se manifiesten en el tramo de línea que va desde la batería al motor. Si se sitúan los condensadores junto al motor, se descarga el conductor desde ese punto hacia atrás y, por lo tanto, se reducen las pérdidas en la línea interior. En los casos de corrección localizada de motores, puede hacerse que el elemento de maniobra del motor, conecte al mismo tiempo los condensadores. Tan solo habrá que observar algunas precauciones en su conexión, para evitar auto excitaciones del motor causadas por los condensadores, cuando se desconecta la tensión del motor.
1.4 ALMACENAMIENTO. Los sistemas de almacenamiento tienen como función suministrar agua para consumo humano a las redes de distribución, con las presiones de servicio adecuadas y en cantidad necesaria que permita compensar las variaciones de la demanda. Asimismo deberán contar con un volumen adicional para suministro en casos de emergencia como incendio, suspensión temporal de la fuente de abastecimiento y/o paralización parcial de la planta de tratamiento. 1.4.1. ASPECTOS GENERALES Determinación del volumen de almacenamiento. El volumen deberá determinarse con las curvas de variación de la demanda horaria de las zonas de abastecimiento ó de una población de características similares. Ubicación. Los reservorios se deben ubicar en áreas libres. El proyecto deberá incluir un cerco que impida el libre acceso a las instalaciones. Estudios Complementarios. Para el diseño de los reservorios de almacenamiento se deberá contar con información de la zona elegida, como fotografías aéreas, estudios de: topografía, mecánica de suelos, variaciones de niveles freáticos, características químicas del suelo y otros que se considere necesario. Vulnerabilidad. Los reservorios no deberán estar ubicados en terrenos sujetos a inundación, deslizamientos ú otros riesgos que afecten su seguridad. Caseta de Válvulas. Las válvulas, accesorios y los dispositivos de medición y control, deberán ir alojadas en casetas que permitan realizar las labores de operación y mantenimiento con facilidad. Mantenimiento. Se debe prever que las labores de mantenimiento sean efectuadas sin causar interrupciones prolongadas del servicio. La instalación debe contar con un sistema de “by pass” entre la tubería de entrada y salida ó doble cámara de almacenamiento. Seguridad Aérea. Los reservorios elevados en zonas cercanas a pistas de aterrizaje deberán cumplir las indicaciones sobre luces de señalización impartidas por la autoridad competente. 1.4.2. VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO El volumen total de almacenamiento estará conformado por el volumen de regulación, volumen contra incendio y volumen de reserva. Volumen de Regulación. El volumen de regulación será calculado con el diagrama masa correspondiente a las variaciones horarias de la demanda. Cuando se comprueba la no disponibilidad de esta información, se deberá adoptar como mínimo el 25% del promedio anual de la demanda como capacidad de regulación, siempre que el suministro de la fuente de abastecimiento sea calculado para 24 horas de funcionamiento. En caso contrario deberá ser determinado en función al horario del suministro. Volumen Contra Incendio. En los casos que se considere demanda contra incendio, deberá asignarse un volumen mínimo adicional de acuerdo al siguiente criterio:
- 50 m3 para áreas destinadas netamente a vivienda. - Para áreas destinadas a uso comercial o industrial deberá calcularse utilizando el gráfico para agua contra incendio de sólidos, considerando un volumen aparente de incendio de 3000 metros cúbicos y el coeficiente de apilamiento respectivo. Independientemente de este volumen los locales especiales (Comerciales, Industriales y otros) deberán tener su propio volumen de almacenamiento de agua contra incendio. Volumen de Reserva. De ser el caso, deberá justificarse un volumen adicional de reserva. 1.4.3. RESERVORIOS: CARACTERÍSTICAS E INSTALACIONES Funcionamiento. Deberán ser diseñados como reservorio de cabecera. Su tamaño y forma responderá a la topografía y calidad del terreno, al volumen de almacenamiento, presiones necesarias y materiales de construcción a emplearse. La forma de los reservorios no debe representar estructuras de elevado costo. Instalaciones. Los reservorios de agua deberán estar dotados de tuberías de entrada, salida, rebose y desagüe. En las tuberías de entrada, salida y desagüe se instalará una válvula de interrupción ubicada convenientemente para su fácil operación y mantenimiento. Cualquier otra válvula especial requerida se instalará para las mismas condiciones. Las bocas de las tuberías de entrada y salida deberán estar ubicadas en posición opuesta, para permitir la renovación permanente del agua en el reservorio. La tubería de salida deberá tener como mínimo el diámetro correspondiente al caudal máximo horario de diseño. La tubería de rebose deberá tener capacidad mayor al caudal máximo de entrada, debidamente sustentada. El diámetro de la tubería de desagüe deberá permitir un tiempo de vaciado menor a 8 horas. Se deberá verificar que la red de alcantarillado receptora tenga la capacidad hidráulica para recibir este caudal. El piso del reservorio deberá tener una pendiente hacia el punto de desagüe que permita evacuarlo completamente. El sistema de ventilación deberá permitir la circulación del aire en el reservorio con una capacidad mayor que el caudal máximo de entrada ó salida de agua. Estará provisto de los dispositivos que eviten el ingreso de partículas, insectos y luz directa del sol. Todo reservorio deberá contar con los dispositivos que permitan conocer los caudales de ingreso y de salida, y el nivel del agua en cualquier instante. Los reservorios enterrados deberán contar con una cubierta impermeabilizante, con la pendiente necesaria que facilite el escurrimiento. Si se ha previsto jardines sobre la cubierta se deberá contar con drenaje que evite la acumulación de agua sobre la cubierta. Deben estar alejados de focos de contaminación, como pozas de percolación, letrinas, botaderos; o protegidos de los mismos. Las paredes y fondos estarán impermeabilizadas para evitar el ingreso de la napa y agua de riego de jardines. La superficie interna de los reservorios será, lisa y resistente a la corrosión.
Accesorios. Los reservorios deberán estar provistos de tapa sanitaria, escaleras de acero inoxidable y cualquier otro dispositivo que contribuya a un mejor control y funcionamiento.
1.5 CALIDAD DEL AGUA. La calidad del agua se refiere a las características físicas, químicas y biológicas de los cuerpos de agua superficiales y subterráneos. Estas características afectan la capacidad del agua para sustentar tanto a las comunidades humanas como la vida vegetal y animal. La salud de los seres humanos, la vida silvestre y los ecosistemas dependen de los suministros adecuados de agua limpia. Sin embargo, a medida que las poblaciones crecen y se expanden hacia zonas antes no urbanizadas, los gobiernos enfrentan cada vez mayores dificultades para asegurar la calidad del agua. Las consecuencias de este crecimiento —un aumento de escurrimientos, aguas residuales, infraestructura inadecuada, desmonte de tierras, fuentes fijas industriales, contaminación atmosférica— también plantean riesgos para la calidad del agua. Además, la urbanización puede perjudicar el auto mantenimiento de los recursos hídricos a través de humedales e infiltración del agua en el suelo, que son los procesos naturales mediante los cuales el agua se purifica. El dragado y la desecación de los humedales, así como la pavimentación impermeable, reducen estos procesos de purificación natural en ecosistemas terrestres y acuáticos. Cada uno de los tres países de América del Norte cuenta con definiciones y procedimientos diferentes para medir la calidad del agua superficial, por lo que hacer una evaluación equiparable de la calidad del agua de toda América del Norte representa todo un reto. No obstante, con base en los registros nacionales, queda claro que el porcentaje total de agua dulce superficial en condiciones de deterioro es significativo. El índice de calidad del agua de Canadá, basado en diversos parámetros como el nivel de nutrientes, evalúa la calidad del agua dulce superficial por su capacidad para proteger la vida acuática —peces, invertebrados y plantas—, mas no evalúa la calidad del agua para consumo o uso humano. De acuerdo con la información más reciente disponible, la calidad del agua dulce en el sur de Canadá ha obtenido la calificación de “excelente” o “buena” en 44 por ciento de los sitios monitoreados, “regular” en 33 por ciento de los sitios y “mínima aceptable” o “mala” en 23 por ciento de los sitios. El fósforo, nutriente derivado sobre todo de las actividades humanas y uno de los principales factores del índice de calidad del agua, es de gran preocupación para la calidad del agua dulce superficial en este país. Los niveles de fósforo rebasaron los límites establecidos conforme a los lineamientos de calidad del agua para la vida acuática durante la mitad del tiempo en los sitios monitoreados. En Estados Unidos, más de 40 por ciento (en función de su longitud) de las corrientes de agua vadeables menores monitoreadas en 2004-2005 mostró alteraciones sustanciales respecto de las comunidades de especies acuáticas pequeñas vulnerables, lo que indica una contaminación y una modificación del hábitat importantes. Los factores de deterioro más extendidos fueron el nitrógeno, el
fósforo, los sedimentos en los cauces y la perturbación ribereña. En 2002, casi la mitad de la longitud de las corrientes y del área de los lagos evaluados y un tercio del área de las bahías y estuarios evaluados no estaban lo suficientemente limpias para usos humanos como pesca y nado. Las principales causas de deterioro eran niveles excesivos de nutrientes, metales (sobre todo mercurio), sedimentos y enriquecimiento orgánico derivados de actividades agrícolas, modificaciones hidrológicas, deposición atmosférica, así como descargas de fuentes industriales desconocidas o no especificadas. México monitorea las aguas superficiales en lo que respecta a demanda de oxígeno bioquímico (DOB), coliformes fecales, nitrógeno, fósforo y otras sustancias. La DOB indica la cantidad de oxígeno consumido por microorganismos durante la descomposición de materia orgánica en el agua. A mayor DOB, más rápidamente se agota el oxígeno en la corriente de agua y mayor es la presión ambiental para las formas superiores de vida acuática. En 2006, 16 por ciento de los sitios monitoreados presentaban un promedio anual de DOB superior a 30 miligramos por litro, lo que representa una contaminación inaceptable de acuerdo con las normas mexicanas. Los coliformes fecales son bacterias alimentadas por residuos humanos o animales que sirven como indicadores de contaminación. En 2006, 58 por ciento de los sitios monitoreados en México registraron concentraciones anuales promedio superiores a los niveles aceptables para el agua potable. Y, como en el resto de América del Norte, los niveles de nitrógeno y fósforo en las aguas superficiales también son un problema para México: en la mayoría de los sitios monitoreados se detectaron niveles elevados de contaminantes con contenidos de ambas sustancias. La contaminación y los contaminantes de las aguas superficiales también afectan los mantos acuíferos: contaminación de fuentes fijas (bacterias, sustancias orgánicas), contaminación de fuentes móviles como agricultura (nitratos y plaguicidas), contaminación industrial (metales pesados, compuestos orgánicos) y contaminantes presentes en la naturaleza, como el arsénico. El agotamiento de las aguas subterráneas puede provocar grietas, fisuras y fracturas por el hundimiento del suelo, lo que permite la introducción de contaminantes a acuíferos de mayor profundidad. La intrusión de agua salina en los mantos acuíferos costeros constituye un problema en las regiones del golfo de México y el golfo de California, en México y Estados Unidos, ya que el agua salada desplaza el agua dulce de los mantos acuíferos. Ante la falta de estudios o fuentes de información integrales en materia de aguas subterráneas, se desconocen los patrones o tendencias regionales de la calidad de los acuíferos de América del Norte. El acceso al agua limpia es un factor fundamental para la vida humana y biológica de América del Norte. A medida que han sufrido la vulnerabilidad de los suministros de agua y han sido testigos de su naturaleza finita, los habitantes de la región han cobrado conciencia de que deben proteger y conservar este recurso esencial. Los factores de preocupación respecto a la calidad del agua en América del Norte en los últimos 30 años incluyen sedimentación, eutrofización, enfermedades infecciosas y sustancias tóxicas persistentes (mercurio y sustancias químicas orgánicas). 1.5.1. Sedimentación
La erosión del suelo y la sedimentación (deposición de suelos erosionados) en lagos, cursos de agua y zonas costeras representan un grave problema para la calidad del agua en toda América del Norte. Aunque la erosión, el transporte de sedimentos y la sedimentación son procesos naturales, la actividad humana puede exacerbar estos procesos en ciertas partes de la región, y en algunos contextos locales puede incluso ser la causa primordial. Los sedimentos afectan la calidad del agua al reducir su claridad, depositarse en gruesas capas en los hábitats acuáticos y actuar como mecanismo de transporte para contaminantes como plaguicidas y fertilizantes. En Estados Unidos, la sedimentación se relaciona con más de 60 por ciento de los kilómetros de cursos de agua deteriorados. En Canadá, el ministerio de Medio Ambiente ha identificado la sedimentación como un problema de calidad del agua, mientras que en México la erosión del suelo entraña un serio problema ambiental. La erosión y la sedimentación son producto principalmente de las alteraciones antropogénicas del paisaje. Con el crecimiento demográfico y los cambios en el aprovechamiento del suelo, la sedimentación continuará siendo un problema. 1.5.2.
Eutrofización y enriquecimiento excesivo con nutrientes
La eutrofización y las cargas elevadas de nutrientes afectan los sistemas tanto de agua dulce como costeros. La eutrofización se refiere al crecimiento excesivo de plantas (florescencias) en cuerpos de agua que reciben cargas excesivas de nutrientes. Las condiciones eutróficas pueden ocurrir de manera natural en los lagos a medida que envejecen y también en los estuarios, pero en muchas partes de América del Norte las actividades humanas han ocasionado niveles de nutrientes y eutrofización que rebasan con creces los niveles naturales. La eutrofización favorece el crecimiento de algas tóxicas, lo que en el entorno marino a veces se conoce como “marea roja” (véase el mapa). La descomposición de este exceso de florescencias de algas reduce el nivel de oxígeno en el agua a tal punto que causa la muerte de otros organismos (hipoxia). Canadá, Estados Unidos y México enfrentan el enriquecimiento excesivo con nutrientes de sus recursos hídricos ocasionado por el mal tratamiento de aguas residuales, el uso de fertilizantes y la deposición de subproductos de la combustión (óxidos de nitrógeno). En Estados Unidos, aproximadamente 55 por ciento del deterioro del agua dulce y alrededor de 20 por ciento del deterioro de los sistemas costeros (estuarios, bahías) son resultado de las cargas de nutrientes o la eutrofización. La zona muerta del golfo de México, consecuencia de la entrada de nutrientes (sobre todo nitrógeno) procedente de la cuenca del río Mississippi, es la mayor extensión de hipoxia antropogénica en el hemisferio occidental. En Canadá han surgido preocupaciones similares en torno a la hipoxia del estuario San Lorenzo, ocasionada por factores como el nitrógeno.
1.5.3. Organismos patógenos La contaminación de los recursos hídricos con organismos patógenos (por ejemplo, bacterias coliformes fecales) sigue siendo una preocupación en muchas áreas de América del Norte. La fuente de la contaminación con agentes patógenos que más preocupa son las aguas residuales mal tratadas y sin tratar. Sin embargo, en algunas áreas, las operaciones agrícolas y la vida silvestre constituyen también un factor. Aunque 71 por ciento de la población estadounidense recibe suministro de plantas de tratamiento de aguas residuales, en 2003 se cerraron playas o se emitieron advertencias sanitarias a causa de contaminación bacteriana por 18,000 casos, en comparación con 3,000 a mediados de los noventa. Una porcentaje similar (72 por ciento) de la población canadiense recibe suministro de plantas de tratamiento de aguas residuales, pero las descargas de aguas negras municipales siguen representando una de las principales fuentes de emisión de contaminantes por volumen en aguas canadienses. En México, donde sólo 35 por ciento de la población es abastecida por plantas de tratamiento de aguas residuales, la contaminación bacteriana del agua dulce y los sistemas costeros es un serio problema. 1.5.4. Mercurio El mercurio es un metal que se acumula en los tejidos de seres humanos, peces y animales, hasta alcanzar niveles tóxicos. En los ecosistemas acuáticos, el mercurio puede entrar en la cadena alimentaria mediante la acción de bacterias y organismos bentónicos. Los consumidores de organismos contaminados por mercurio pueden acumular mercurio hasta niveles tóxicos, aun en lugares donde las concentraciones de mercurio en el agua son apenas detectables. La mayoría de las veces el mercurio entra en los recursos hídricos de América del Norte a través de la deposición del mercurio emitido a la atmósfera por actividades mineras, procesos industriales y combustibles fósiles, así como la incineración de desechos municipales y médicos. En años recientes, Canadá y Estados Unidos han reducido sus emisiones de mercurio: 80 por ciento el primero durante el periodo 1990-2003 y 45 por ciento el segundo durante el periodo 1990-1999. Sin embargo, los altos niveles de mercurio presentes en peces siguen dando cuenta de más de 90 por ciento de las advertencias sanitarias sobre el consumo de pescado emitido en Canadá y 80 por ciento de las emitidas en Estados Unidos para especies tanto de agua dulce como costeras. En 2000-2003 se encontró mercurio en cien por ciento de los peces monitoreados como parte del Estudio Nacional sobre Tejidos en Peces en Estados Unidos. Aun después de haber cesado las descargas en sistemas contaminados, el mercurio puede seguir acumulándose por décadas en la cadena alimentaria. Y como se transporta fácilmente a largas distancias en la atmósfera, las emisiones de otros continentes contribuyen a contaminar las pesquerías de América del Norte con este elemento. 1.5.5. Contaminantes orgánicos persistentes
Los contaminantes orgánicos persistentes son sustancias orgánicas que se acumulan en los tejidos grasos de humanos y animales, y pueden alcanzar niveles tóxicos. Los países de América del Norte han trabajado durante mucho tiempo en la reducción del uso y emisión de contaminantes orgánicos persistentes como el DDT, los bifenios policlorados (BPC), las dioxinas y el clordano; sin embargo, estos compuestos persisten en suelos, sedimentos y tejidos de peces. En Estados Unidos, por ejemplo, en 2000-2003 se detectaron BPC, dioxinas y furanos, y DDT en la mayoría de las muestras de peces. A pesar de estar prohibidos desde hace mucho tiempo en ese país, siguen encontrándose BPC en cien por ciento de las muestras compuestas de peces depredadores y bénticos-demersales; las concentraciones de algunos de esos compuestos siguen rebasando los criterios sanitarios para el ser humano y la vida silvestre en varias regiones de los Grandes Lagos. La calidad del agua se ve afectada por las actividades en una cuenca hídrica o un área de recarga de aguas freáticas, así como por el clima mundial y el transporte atmosférico desde áreas distantes. 1.5.6.
Cambio climático.
Junto con los patrones climáticos, es probable que también cambien los patrones de precipitación y escurrimientos de América del Norte, lo que ocasionará más sequía en algunas zonas y más inundaciones en otras. En condiciones de sequía, los contaminantes se pueden concentrar en los recursos hídricos hasta alcanzar niveles dañinos; por su parte, mayores escurrimientos e inundaciones provocan mayor arrastre de contaminantes (por cantidad y diversidad) a las aguas superficiales. 1.5.7.
Aprovechamiento del suelo.
En varios estudios se han identificado los vínculos entre la calidad del agua y el aprovechamiento del suelo en cuencas hídricas. El desmonte de tierras puede aumentar el transporte de sedimentos a aguas superficiales. Los plaguicidas y fertilizantes aplicados al suelo pueden ser arrastrados a aguas superficiales o filtrarse a los mantos acuíferos, y lo mismo puede suceder con cualquier otro material descargado en la tierra, como contaminantes tóxicos, aceite automotriz o gasolina. 1.5.8. Energía. Los niveles de demanda energética tienen que ver con la contaminación de los recursos hídricos. El agua usada en la exploración y producción de gas y petróleo puede saturarse de sustancias tóxicas que deben eliminarse antes de que ésta pueda ser utilizada sin riesgos por los humanos o la vida silvestre. Los subproductos de la combustión de centrales eléctricas, como óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y mercurio, pueden viajar largas distancias en la atmósfera y afectar recursos hídricos ubicados lejos de las centrales, cambiando el pH, agregando nitrógeno a la carga de nutrientes y contaminando las pesquerías.
2.0 HIDRODINÁMICA BÁSICA II.1
DEFINICIÓN DE FLUIDO.
Un fluido es cualquier sustancia no sólida, capaz de escurrir y asumir la forma del recipiente que lo contiene. Los fluidos pueden ser divididos en líquidos y gases. De una manera práctica, podemos distinguir a los líquidos, de los gases de la siguiente forma: los líquidos, cuando son vertidos en un recipiente, toman la forma de este presentando una superficie libre, mientras que los gases, llenan totalmente el recipiente, sin presentar una superficie libre definida. 2.1. A. Fluido ideal. Un fluido ideal es aquel en el que la viscosidad es nula, es decir, entre sus moléculas no se producen fuerzas de roce tangenciales. 2.1. B. Fluido incompresible. Es aquel en el que su volumen no varía en función de la presión. En la práctica la mayoría de los líquidos tienen un comportamiento próximo a éste tipo, pudiendo por lo tanto, ser considerados como fluidos incompresibles. 2.1. C. Líquido perfecto. En nuestros estudios consideraremos a los líquidos, en general, como perfectos, es decir, un fluido ideal, incompresible, perfectamente móvil, continuo y de propiedades homogéneas. Otros aspectos e influencias como la viscosidad, por ejemplo, se estudiarán en forma independiente. 2.2.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.
2.2.1. Peso específico. El peso específico de una sustancia es el peso de la misma por la unidad de volumen que ella ocupa.
2.2.2 Densidad absoluta. La densidad absoluta de una sustancia es la masa de esa sustancia por la unidad de volumen que ella ocupa.
Relación entre el peso específico y la densidad específica. Como el peso de una sustancia es el producto de su masa por la constante de aceleración de gravedad, resulta la siguiente relación entre el peso específico y la densidad específica.
2.2.3. Densidad relativa. La densidad relativa de una sustancia es la razón entre el peso específico o densidad específica de esa sustancia y el peso específico o densidad específica de una sustancia padrón de referencia. Para sustancias en estado líquido o sólido, la sustancia de referencia padrón es el agua. Para sustancias en el estado gaseoso la sustancia de referencia es el aire. Consideraremos agua a temperatura de 15 C (59 F), al nivel del mar*, como sustancia de referencia. En algunas publicaciones, el término densidad relativa se puede encontrar con el nombre de masa específica o gravedad específica. 2.2.4. Viscosidad. Es la propiedad física de un fluido que expresa la resistencia a los esfuerzos de corte internos, es decir, a cualquier fuerza que tienda a producir el escurrimiento entre sus capas. La viscosidad tiene una influencia importante en el fenómeno de , sobre todo en las pérdidas de presión de los fluidos. La magnitud del efecto, depende principalmente de la temperatura y de la naturaleza del fluido. Así, cuando se indica cualquier valor para la viscosidad de un fluido, siempre se debe informar la temperatura, así como la unidad en que se expresa. Notar que en los líquidos, la viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura.
2.2.4. A. Ley de Newton. Newton descubrió que en muchos fluidos, la tensión de corte era proporcional al gradiente de velocidad, llegando a la siguiente fórmula:
Los fluidos que obedecen esta ley, son los fluidos llamados Newtonianos y los que no obedecen son los llamados No Newtonianos. La mayoría de los fluidos que son de nuestro interés, como el agua, varios aceites, etc; se comportan cumpliendo esta ley. 2.2.4. B. Viscosidad dinámica o absoluta ( μ ). La viscosidad dinámica o absoluta expresa la medida de las fuerzas de roce internas del fluido y es exactamente el coeficiente de proporcionalidad entre la tensión de corte y el gradiente de velocidad de la Ley de Newton. El símbolo normalmente utilizado para indicarla es la letra "μ". Las unidades más usadas son el centiPoise (cP), o Poise (98,1P = 1 kgf.s/m ); y el Pascal segundo (1 Pa.s = 1N.s/m ) (SI). 2.2.4. C. Viscosidad cinemática ( ν ) Es definida como el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad específica, es decir
El símbolo normalmente utilizado para indicarla es la letra "ν". Las unidades mas usadas son el centiStoke (cSt), Stoke (1St = 1cm /s2); o el m /s2 (SI)
2.2.4. D. Otras escalas de viscosidad. En la práctica, además de las unidades usuales ya vistas, la viscosidad se puede especificar conforme a escalas arbitrarias, de uno de los varios instrumentos usados para la medición de la viscosidad (los viscosímetros). Algunas de esas escalas, tales como el Saybolt y la Redwood, están basadas en el tiempo, en segundos, requerido para que una cierta cantidad de líquido pase a través de un orificio de un tubo estandarizado y de esa manera representan una medida de la viscosidad cinemática. Los viscosímetros de "cuerpo rotatorio" expresan la viscosidad absoluta, mientras que el Engler tiene la escala en grados e indica el cociente entre el tiempo de escurrimiento de un volumen de líquido dado y el tiempo de escurrimiento del mismo volumen de agua. Las escalas más usadas son: Alemania: Engler (expresada en grados E); Inglaterra: Redwood 1 y Redwood Admiralty (expresada en segundos); Estados Unidos: Second Saybolt Universal "SSU" y Second Saybolt Furol "SSF" (expresada en segundos); Francia: Barbey (expresada en cm /hr ). La viscosidad cinemática de un fluido, en puede ser obtenida a través de la su viscosidad absoluta en , y de su densidad relativa , a la temperatura en cuestión, mediante la relación:
Además de las escalas descritas anteriormente, la Sociedad de Ingenieros Automotrices de los Estados Unidos, tiene su propia escala para lubricantes utilizados en máquinas y engranajes cuya relación con la viscosidad, expresada en el centiStokes, es como sigue:
TABLA 2.1 EQUIVALENCIA ENTRE VISCOSIDADES.
2.3. TIPOS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA. 2.3.1. TIPOS DE PRESIÓN. Es la fuerza ejercida por unidad de área.
Las unidades más usadas son: kgf/cm2 ; kgf/m2 ; bar (1bar = 1,02 kgf/cm2 ; psi (1 psi = 0,0689 kgf/cm2 ); Pascal (1 Pa = 1,02 x 10 -5 kgf/cm2 ); atmosfera (1 atm = 1,033 kgf/cm2 ); mm Hg (1mmHg = 0,00136 kgf/cm2 ). 2.3.
1. A. Ley de Pascal.
“La presión aplicada por un fluido contenido en un recipiente cerrado es igual en todas las direcciones del fluido y es perpendicular a las paredes del recipiente" 2.3.
1. B. Teorema de Stevin.
"La diferencia de presión entre dos puntos de un fluido en equilibrio es igual al producto del peso específico del fluido por la diferencia de alturas entre los dos puntos", o sea:
FIG 2.1: EXPLICACIÓN DEL TEOREMA DE STEVIN.
Importante: 1) para determinar la diferencia de presión entre dos puntos, no importa la distancia entre ellos, sino la diferencia de cota entre ellos; 2) la presión de dos puntos en un mismo nivel, es decir, en la misma cota, es la misma; 3) la presión no depende de la forma, del volumen o del área de la base del depósito.
FIG 2.2 CORRESPONDENCIA DE PRESIONES. 2.3.
1. C. Carga de presión / Altura de columna de líquido.
2.3.
1. D. Influencia del peso específico en la relación entre la presión y altura de columna de líquido: a) para una misma altura de columna líquido, líquidos de pesos específicos diferentes tienen presiones diferentes.
FIG 2.3: DIFERENTES COLUMNAS DE PRESIÓN.
b) para una misma presión, actuando en líquidos con pesos específicos diferentes, las columnas de líquido son diferentes.
FIG 2.4: DIFERENTES COLUMNAS DE LÍQUIDO. 2.3.
1. E. Escalas de presión.
PRESIÓN ABSOLUTA (Pabs) Es la presión medida en relación al vacío total o cero absoluto. Todos los valores que expresan presión absoluta son positivos. •
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (Patm) Es la presión ejercida por el peso de la atmósfera. La presión atmosférica es normalmente medida por un instrumento llamado barómetro, que es el origen de la llamada presión barométrica. •
La presión atmosférica varía con la altura y depende de las condiciones meteorológicas, siendo que al nivel del mar, en condiciones estandarizadas, la presión atmosférica tiene un valor de
PRESIÓN MANOMÉTRICA (Pman) Es la presión medida, tomándose como referencia a la presión atmosférica. Esta presión es normalmente medida a través de un instrumento llamado manómetro, lo que da origen a la presión manométrica, siendo también llamada como presión efectiva o presión relativa. •
Cuando la presión es menor que la atmosférica, tenemos una presión manométrica negativa, también llamada como vacío (denominación incorrecta) o depresión.
El manómetro, registra valores de presión manométrica positiva; el vacuómetro registra valores de presión manométrica negativa y el manovacuómetro registra valores de presión manométrica positiva y negativa. Estos instrumentos, siempre registran cero cuando están abiertos a la atmósfera, así, tienen como referencia (cero de la escala) la presión atmosférica del lugar dónde se está realizando la medición, sea cual sea. De acuerdo a las definiciones presentadas, resulta la siguiente relación
•
ESCALAS DE REFERENCIA PARA MEDIDAS DE PRESIÓN.
FIG 2.5: ESCALAS DE REFERENCIA PARA MEDIDAS DE PRESIÓN.
2.3.
1. F. Presión de vapor
La presión de vapor de un fluido a una cierta temperatura es aquella en la cual coexisten la fase líquida y la de vapor. A esa misma temperatura, cuando tenemos una presión mayor que la presión de vapor, habrá sólo fase líquida y cuando tenemos una presión menor que la presión de vapor, habrá sólo fase vapor. La presión de vapor tiene una importancia fundamental en el estudio de las bombas, principalmente en los cálculos de NPSH, como veremos más adelante. 2.3.2. TEMPERATURA. Es la magnitud que indica la sensación de calor de un cuerpo. El calor es la causa a la que se atribuyen las variaciones de temperatura. La temperatura se manifiesta, sencillamente, por el nivel térmico que tienen los cuerpos. La unidad de temperatura en el S.L es el grado Kelvin (K) (temperatura absoluta) y en el Técnico es el grado Celsius (°C). De esta manera: - Temperatura en °C = temperatura en K -273,15. - Temperatura en K = temperatura en °C +273,15. en la práctica corriente se toma la cifra de 273. Si la bomba bombea agua caliente y hay dificultades en la aspiración, es posible que tengamos una pérdida en la aspiración y que la sufre la bomba por el agua caliente, debiendo corregir tal anomalía alimentando la bomba con la carga positiva necesaria. La tabla 2.2 nos aproxima a la influencia que tiene la temperatura en la aspiración de la bomba, observando que a mayor temperatura hay una mayor reducción o pérdida en la aspiración.
TABLA 2.2: INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA ASPIRACIÓN DE LA BOMBA.
2.4 ECUACIÓN DE CONTINUIDAD. 2.4.
A. TIPOS DE RÉGIMEN DE FLUJOS
•
RÉGIMEN PERMANENTE. Se dice que un flujo está en el régimen permanente, cuando las condiciones del fluido, como la temperatura, el peso específico, la velocidad, la presión, etc., no varían respecto al tiempo.
•
RÉGIMEN LAMINAR. Es aquel en el que las líneas de corriente son paralelas entre si y las velocidades en cada punto son constante en módulo y dirección.
•
RÉGIMEN TURBULENTO. Es aquel en el que las partículas presentan una variación de movimiento, con diferentes velocidades, en módulo y dirección, entre un punto y otro así como para este mismo punto de un momento a otro.
2.4
B. EXPERIMENTO DE REYNOLDS.
Osborne Reynolds, en 1833, realizó una serie de experimentos con el fin de poder observar los tipos de flujos. Dejando escurrir agua con colorante por un tubo transparente, pudo observar las líneas de corriente de ese líquido. El movimiento del agua representaba un régimen laminar. Luego aumentó el flujo de agua, abriendo la válvula de paso, notando que las líneas de corriente se comenzaban a alterar pudiendo llegar a difundirse en la masa de líquido, en ese caso el flujo estaba en régimen turbulento.
FIG 2.6: ESQUEMA DEL EXPERIMENTO DE REYNOLDS
Estos regímenes fueron identificados mediante un número adimensional.
TABLA 2.2: LIMITES DEL NÚMERO DE REYNOLDS.
Notar que el número de Reynolds es un número adimensional, independiente del sistema de unidades adoptado. Notar que las unidades utilizadas deben ser coherentes entre sí. En general y en forma práctica, el flujo se presenta en régimen turbulento, con excepción a los flujos con velocidades muy bajas o fluidos de viscosidad alta. 2.4. C. CAUDAL Y VELOCIDAD CAUDAL VOLUMÉTRICO. El caudal volumétrico está definido como el volumen de fluido que pasa por una determinada sección por unidad de tiempo. •
Las unidades más utilizadas son: m /h; l/s; m /s; GPM (galones por minuto). • CAUDAL MÁSICO El caudal másico es la masa de fluido que pasa por una determinada sección, por unidad de tiempo.
Las unidades más utilizadas son: kg/h; kg/s; t/h; lb/h.
• CAUDAL EN PESO El caudal en peso es el peso de un fluido que pasa por determinada sección, por unidad de tiempo.
Las unidades más utilizadas son: kgf/h; kgf/s; tf/h; lbf/h. • RELACIÓN ENTRE CAUDALES Como existe una relación entre volumen, masa y peso, podemos decir:
En nuestros estudios, utilizaremos principalmente el caudal volumétrico, al que se designa simplemente como caudal (Q). • VELOCIDAD Existe una importante relación entre caudal, velocidad y el área de la sección transversal de una tubería:
FIG 2.7: VARIABLES EN UN DUCTO.
2.4. D. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD. Consideremos el siguiente tramo de tubería:
FIG 2.8: TUBO DE CORRIENTE PARA ECUACION DE CONTINUIDAD.
Si tenemos un flujo en régimen permanente a través del conducto indicado, la masa de flujo que entra en la sección 1es igual a la masa que sale en la sección 2, es decir:
Como Qm=Q. rho, si tenemos un fluido incompresible, el caudal volumétrico que entra en la sección1 también será igual al caudal que sale en la sección 2, es decir:
Con la relación entre caudal y velocidad, Q = v A, podemos escribir:
Esa ecuación es válida para cualquier sección de escurrimiento, resultando así una expresión general que es la Ecuación de Continuidad para fluidos incompresibles.
De la ecuación anterior se puede observar que para un determinado caudal fluyendo a través de un conducto, una reducción del área implica un aumento de velocidad y viceversa
2.5 TEOREMA DE BERNOULLI. La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma, en otros términos la energía total es constante. Veremos que la energía se puede presentar de diversas formas, de las cuales destacaremos las de mayor interés para nuestros estudios. Energía potencial, de altura o geométrica (Hgeo). La energía potencial de cualquier punto de un fluido por unidad de peso, está definida como la cota de este punto en relación a un cierto plano de referencia. •
Energía de presión (Hpr). La energía de presión en un punto de un cierto fluido, por unidad de peso está definida como: •
Energía cinética o de velocidad (Hv). La energía cinética o de velocidad de un punto en un determinado fluido por unidad de peso está definida como: •
El teorema de Bernouilli es uno de los más importantes de la hidráulica y representa un caso particular del Principio de Conservación de la Energía. Considerándose como hipótesis un flujo en régimen permanente de un líquido perfecto, sin recibir o entregar energía y sin intercambiar calor, la energía total, o carga dinámica, que es la suma de la energía de presión, energía potencial y energía cinética, en cualquier punto del fluido es constante, es decir:
Considerando la figura 2.9:
FIG 2.9: LINEAS DE ALTURAS.
La línea piezométrica es determinada por la suma de los términos
para cada sección.
2.5.
A. ADAPTACIÓN DEL TEOREMA DE BERNOUILLI PARA LÍQUIDOS REALES.
En el punto anterior, consideramos la hipótesis de un líquido perfecto, no teniendo en cuenta el efecto de las pérdidas de energía producto del roce del líquido en la tubería, la viscosidad, etc. Al considerar líquidos reales, se hace necesaria la adaptación del Teorema de Bernoulli, introduciéndole una expresión representativa de estas pérdidas, como se muestra en la figura 2.10:
FIG 2.10: INTERPRETACIÓN DE PÉRDIDAS.
El término Hp es la energía pérdida por el líquido, por unidad de peso, en el trayecto entre el punto 1 y el punto 2. 2.6 PÉRDIDAS EN RÉGIMEN LAMINAR Y TURBULENTO La pérdida de carga de un fluido en una tubería, ocurre debido al roce entre las partículas del mismo con las paredes de la tubería así como al roce entre estas partículas. En otras palabras, es una pérdida de energía o de presión entre dos puntos de una tubería.
2.6. A. TIPOS DE PERDIDA DE CARGA. • Distribuida. Son aquellas que ocurren en trechos rectos de una tubería.
FIG 2.11: IDENTIFICACIÓN DE PÉRDIDAS DISTRIBUIDAS. •
Localizada. Son pérdidas de presión ocasionadas por las piezas y singularidades a lo largo de la tubería, tales como curvas, válvulas, desviaciones, reducciones, expansiones, etc.
FIG 2.12: IDENTIFICACIÓN DE PÉRDIDAS LOCALIZADAS. •
Total. Es la suma de las pérdidas de cargas distribuidas en todos los tramos rectos de la tubería y las pérdidas de carga localizadas en todas las curvas, válvulas, uniones, etc.
2.7 POTENCIA. •
Potencia hidráulica. El trabajo útil realizado por una bomba centrífuga es naturalmente el producto del peso del líquido movido por la altura desarrollada. Si consideramos este trabajo por unidad de tiempo, tendremos la potencia hidráulica, que se expresa por la fórmula:
•
Potencia consumida por la bomba. Para calcular la potencia consumida por la bomba, basta con utilizar el valor del rendimiento de la bomba, porque la potencia hidráulica no es igual a la potencia consumida, ya que existen pérdidas debidas al roce en el propio motor, en la bomba, etc.
•
Rendimiento. Se conoce como rendimiento a la relación entre la potencia hidráulica y la potencia consumida por la bomba.
Entonces:
Análogamente al desarrollo realizado para la potencia hidráulica, podemos escribir la siguiente fórmula:
2.7.1. CURVASDE RENDIMIENTO Como vimos, el rendimiento se obtiene de la división de la potencia hidráulica por la potencia consumida. La representación gráfica del rendimiento es la siguiente:
FIG 2.13: CURVA DE RENDIMIENTO.
Donde Qóptimo es el punto de mejor eficiencia de la bomba, para el rodete considerado.
•
Curvasde isorendimiento. Toda bomba presenta limitación en los rodetes, es decir, la familia de rodetes en una curva característica va desde un diámetro máximo a un diámetro mínimo. El diámetro máximo es consecuencia del espacio físico existente dentro de la bomba y el diámetro mínimo es limitado hidráulicamente, es decir, si utilizamos diámetros menores de los indicados en las curvas de las bombas, tendríamos problemas de operación en la bomba, tales como bajos valores de caudal, bajas alturas manométrica, bajos rendimientos, etc.
Las curvas de rendimiento de las bombas, que se encuentran en los catálogos técnicos de los fabricantes, se presentan en algunos casos graficadas individualmente, es decir, el rendimiento obtenido para cada diámetro de rodete en función del caudal. En otros casos, que son los más comunes, se grafican sobre las curvas de los diámetros de los rodetes. Esta nueva presentación se basa en graficar sobre la curva de Q x H de cada rodete, el valor de rendimiento común para todos los demás; posteriormente se unen los puntos de ese igual rendimiento, formando así las curvas de rendimiento de las bombas. Esas curvas son también llamadas como curvas de iso-rendimiento, representadas como sigue: •
Ejemplo de curvas de isorendimiento
FIG 2.14 CURVA DE ISORENDIMIENTO. •
Curva de NPSH (net positive suction head). Actualmente, toda curva característica de una bomba, incluye la curva de NPSH requerido en función de caudal. Esta curva representa la energía mínima necesaria que el líquido debe tener, en unidades absolutas, en el flange de succión de la bomba, para garantizar su perfecto funcionamiento.
Su representación gráfica es la siguiente.
FIG 2.15 CURVA DE NPSH.
2.7.2. CONSIDERACIONES FINALES Las curvas características presentadas por los fabricantes, son obtenidas en bancos de pruebas, bombeando agua limpia a temperatura ambiente. • • •
La curva (Q v/s H), representa la energía entregada expresada en altura de columna de líquido. La curva de (Q v/s NPSHr), representa la energía requerida en el flange de succión de la bomba. La curva de (Q v/s N), y la curva de (Q v/s P), representan los rendimientos y potencias consumidas por la bomba, cuando trabaja con agua.
Para el bombeo de fluidos con viscosidades diferente a la del agua, es necesario realizar una corrección a estas curvas para esta nueva condición de trabajo. Este tema se abordará con más detalles en un próximo módulo.
FIG 2.16 EJEMPLO DE CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA VERTICAL.
2.7.3. PUNTO DE OPERACIÓN. Si dibujamos la curva del sistema en el mismo gráfico donde está la curva característica de la bomba, obtendremos el punto de operación normal, de la intersección de estas curvas.
FIG 2.17 CURVA DE OPERACIÓN DE UN A BOMBA VERTICAL.
La curva muestra que esta bomba tiene como punto normal de operación un: • • • •
Caudal (Qt) Altura (Ht) Potencia consumida (Pt) Rendimiento en el punto de trabajo ( t)
2.8 LEYES DE AFINIDAD. Existe una proporcionalidad entre los valores de caudal (Q), altura (H) y potencia (P) con la velocidad de rotación. Siendo así, siempre que cambiemos la velocidad de rotación de una bomba habrá, en consecuencia, alteración en las curvas características, siendo la corrección para la nueva velocidad de rotación hecha a partir de las siguientes relaciones:
• El caudal es proporcional a la velocidad de rotación.
• La altura manométrica varía con el cuadrado de la velocidad de rotación.
• La potencia absorbida varía con el cubo de la velocidad de rotación.
Es decir:
Siempre que cambiemos la velocidad de rotación, se debe hacer la corrección de las curvas características a través de las relaciones presentadas previamente para la obtención del nuevo punto de trabajo. Las relaciones vistas previamente también son llamadas de leyes de semejanza leyes de similitud o leyes de afinidad.
2.8. A. Efecto por la variación del diámetro del rodete en las curvas características. Si reducimos el diámetro de un rodete radial de una bomba, manteniendo la misma velocidad de rotación, la curva característica de la bomba se altera aproximadamente conforme con las siguientes ecuaciones:
Es decir:
El procedimiento para obtener las curvas características para un nuevo diámetro, en función de las curvas características proporcionadas por el fabricante para el diámetro original, es análogo al procedimiento visto anteriormente para la
variación de la velocidad de rotación.
En general, la reducción máxima permitida es aproximadamente de un 20% del diámetro original. Esta reducción es aproximada, porque existen rodetes que pueden reducirse en un porcentaje mayor, mientras que otros permiten una reducción sólo en un pequeño margen, con el fin de no provocar efectos adversos. En la realidad, estas reducciones sólo son permitidas en bombas centrífugas radiales; en las bombas centrífugas de flujo mixto y, principalmente en los axiales, la disminución del diámetro del rodete puede alterar el diseño inicial substancialmente, debido a las variaciones en los ángulos y los diseños de los álabes.
3.0
DETERMINACIÓN DE CARGAS EN UN SISTEMA DE BOMBEO.
La determinación del caudal de bombeo debe realizarse sobre la base de la concepción básica del sistema de abastecimiento, de las etapas para la implementación de las obras y del régimen de operación previsto para la estación de bombeo. Los factores a considerar son los siguientes: •
Periodo de bombeo. El número de horas de bombeo y el número de arranques en un día, depende del rendimiento de la fuente, el consumo de agua, la disponibilidad de energía y el costo de operación.
Por razones económicas y operativas, es conveniente adoptar un periodo de bombeo de ocho horas diarias, que serán distribuidas en el horario más ventajoso. En situaciones excepcionales se adoptará un periodo mayor, pero considerando un máximo de 12 horas. •
Tipo de abastecimiento. Se deben considerar dos casos: Cuando el sistema de abastecimiento de agua incluye reservorio de almacenamiento posterior a la estación de bombeo; la capacidad de la tubería de succión (si corresponde), equipo de bombeo y tubería de impulsión deben ser calculadas con base en el caudal máximo diario y el número de horas de bombeo.
Donde: Qb = Caudal de bombeo, l/s. Qmax.d = Caudal máximo diario, l/s. N = Número de horas de bombeo. Cuando el sistema de abastecimiento de agua no incluye reservorio de almacenamiento posterior a la estación de bombeo, la capacidad del sistema de bombeo debe ser calculada en base al caudal máximo horario y las pérdidas en la red distribución. 3.1. CARGAS DINÁMICAS. 3.1. A. Carga dinámica o altura manométrica total. La altura dinámica puede ser definida como el incremento total de la carga del flujo
Donde: Hb = Altura dinámica o altura de bombeo, m. Hs = Carga de succión, m. Hi = Carga de impulsión, m. •
Carga de succión (Hs). Viene dado por la diferencia de elevación entre el eje de la bomba y el nivel mínimo del agua en la fuente o captación, afectado por la pérdida de carga en el lado de la succión.
Donde: Hs = Altura de succión, esto es, altura del eje de la bomba sobre el nivel inferior del agua, m. Δhs = Pérdida de carga en las succión, m. Debe considerarse que la carga de succión está limitada por la carga neta de succión positiva (NPSH), además, que debe existir un sumergimiento mínimo de la tubería de succión en el agua. •
Carga neta de succión positiva (NPSH). Cuando el agua fluye a través de la bomba, la presión en la entrada y en la tubería de succión tiende a disminuir debido a las altas velocidades del flujo. Si la reducción va más allá de la presión de vapor del agua, se producirá la vaporización y se formarán burbujas de vapor en el seno del líquido.
Estas burbujas son transportadas por él líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, "aplastándose" bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama cavitación. La cavitación se produce principalmente en los alabes del impulsor de la bomba, donde las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, erosionando su superficie y causando esfuerzos que pueden originar su destrucción. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. La cavitación además de producir daños físicos y ruidos molestos, puede llegar a reducir de manera considerable el caudal y rendimiento de la bomba. La carga neta de succión positiva es la diferencia entre la presión existente a la entrada de la bomba y la presión del vapor del líquido que se bombea. Esta diferencia es la necesaria para evitar la cavitación. En el diseño de bombas destacan dos valores de NPSH, el NPSH disponible y el NPSH requerido.
El NPSH requerido es función del diseño de fábrica determinado experimentalmente, es proporcionado por requerido corresponde a la carga mínima que necesita la funcionamiento estable. Se basa en una elevación de considerada como el eje del rodete.
de la bomba, su valor, el fabricante. El NPSH bomba para mantener un referencia, generalmente
El NPSH disponible es función del sistema de succión de la bomba, se calcula en metros de agua, mediante la siguiente fórmula (véase figura 3.1):
Donde: NPSH disponible = Carga neta de succión positiva disponible, m. Hatm = Presión atmosférica. Hvap = Presión de vapor, m. hs = Altura estática de succión, m. ΔHs = Pérdida de carga por fricción de accesorios y tubería, m.
FIG 3.1. ESQUEMA DE LA TUBERÍA DE SUCCIÓN EN UN SISTEMA DE TUBERÍA ILUSTRANDO EL NPHS.
Para evitar el riesgo de la cavitación por presión de succión, se debe cumplir que:
Para el cálculo del NPSH se debe fijar un nivel de referencia con respecto a la bomba. En las bombas que trabajan horizontalmente (eje horizontal) el plano de referencia se localiza a través del centro del eje y en las bombas verticales (eje vertical) a través del plano que atraviesa la parte más inferior de los alabes del impulsor, en caso de tener más de un impulsor se considerara la ubicación del inferior (véase figura 2).
Otras causas de cavitación en bombas son las excesivas revoluciones del rotor. En este caso se debe verificar que la velocidad específica de operación no sobrepase la máxima dada por el fabricante. •
Sumergencia mínima (ΔH). La altura del agua entre el nivel mínimo y la unión de la rejilla, o la boca de entrada a la tubería, debe ser igual o superior a los límites siguientes (véase figura 3.2):
a) Para dar cumplimiento a requerimientos hidráulicos. Considerando la velocidad para el caudal de bombeo requerido:
b) Para impedir ingreso de aire, de acuerdo al diámetro de la tubería de succión (d): c) Se seleccionará el valor mayor. •
Carga de impulsión. Está dada por la diferencia de elevación entre el nivel máximo de las aguas en el sitio de llegada y el eje de las bombas más la pérdida de carga del lado de la tubería de impulsión:
Donde: hi = Altura de impulsión, o sea, la altura del nivel superior en relación al eje de la bomba, m. Δhi = Pérdida de carga en la tubería de impulsión, m. Reemplazando las ecuaciones de carga de succión y de carga de impulsión en la ecuación de altura manométrica total se tienen las siguientes relaciones: Bombeo con bombas de eje horizontal y de eje vertical:
Bombeo son bombas sumergibles:
El proyectista por seguridad podrá incrementar la altura de pérdida de carga en las tuberías, en función a la edad de las mismas, considerar la altura por carga de velocidad (v2/2g) y/o adoptar una altura de presión mínima de llegada.
FIGURA 3.2. SUMERGENCIA MÍNIMA PARA EVITAR INGRESO DE AIRE EN LA TUBERÍA DE SUCCIÓN Y DEFICIENCIAS EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA.
TABLA 3.1: DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
TABLA 3.2. PRESIÓN DE VAPOR DEL AGUA.
3.2 POTENCIA DEL EQUIPO DE BOMBEO El cálculo de la potencia de la bomba y del motor debe realizarse con la siguiente fórmula:
Donde: Pb = Potencia de la bomba y del motor (HP). Qb = Caudal de bombeo (l/s). Hb = Altura manométrica total (m). η = Eficiencia del sistema de bombeo, conjunto motor-bomba. Debe consultarse al proveedor o fabricante, sobre las curvas características de cada bomba y motor para conocer sus capacidades y rendimientos reales. La bomba seleccionada debe impulsar el volumen de agua para la altura dinámica deseada, con una eficiencia η mayor a 70% 3.2. A. Número de unidades de bombeo. Depende del caudal de bombeo y de sus variaciones, además, de la necesidad de contar de equipos de reserva para atender situaciones de emergencia. En situaciones donde se requiere solo un equipo de bombeo, es recomendable instalar uno idéntico de reserva, estableciendo un coeficiente de seguridad del 200%; pero si el tamaño de los equipos resulta muy grande, es recomendable incrementar el número de ellos, estableciendo coeficientes de seguridad menores, pero mayores alternativas y menores costos de operación. En tales casos puede admitirse hasta 150% como coeficiente de seguridad de los equipos.
4.0 SELECCIÓN DE BOMBAS VERTICALES DE POZO PROFUNDO. 4.1 CONDIONES Y REQUERIMIENTOS La clave para hacer la selección correcta de la bomba radica en el conocimiento del sistema donde ella trabajará. El ingeniero que especifica una bomba puede hacer una selección errónea por no haber investigado los requisitos totales del sistema. Dejar la responsabilidad de la selección de la bomba al representante del proveedor no es una buena decisión, en vista que le puede ser difícil o imposible conocer los requisitos totales de la operación. Por ello, previo a la elección de la bomba el ingeniero debe obtener los siguientes datos del sistema: Bomba: a) Número de unidades. b) Tipo de bomba (sólo si existe una preferencia predeterminada). c) Servicio de horas por día y, si es continuo o intermitente. Características del líquido: a) Temperatura. Se debe indicar la temperatura de trabajo, así como posibles rangos de variación de la misma. b) Gravedad específica. Debe ser indicada para la temperatura de bombeo y es vital para una correcta determinación de la potencia. c) Ph. Se debe indicar la acidez o alcalinidad del agua, porque permite elegir el material adecuado de la bomba. Si existe análisis químico es preferible suministrarlo. Condiciones de operación: a) Caudal. Debe ser especificado en litros por segundo. Es muy importante indicarlo en el punto exacto de operación ya que permitirá seleccionar la bomba más eficiente. b) Altura manométrica total. Se debe especificar en metros de acuerdo a lo calculado, o dar al fabricante todos los datos en un croquis de la instalación, para su cálculo. c) Condiciones de succión. Para bombas de eje horizontal se debe indicar la altura manométrica total y el NPHS disponible. En los demás tipos de bomba, especificar todos los datos en un croquis de la instalación. Accionamiento: a) Se debe indicar claramente si es motor a gasolina, petróleo, eléctrico. En caso de contar con el motor, indicar todas las especificaciones del mismo para seleccionar una bomba que pueda trabajar con él. b) Indicar la velocidad de operación, en caso contrario dejar que el fabricante lo indique. En caso de contar con motor indicar la potencia continúa a determinada velocidad. c) Si el motor seleccionado es eléctrico, se debe indicar las características de la corriente eléctrica disponible: voltaje, ciclos y fase.
Material requerido a) Se debe indicar el material que se requiere para la carcasa, impulsor, bocina, prensaestopa y sello mecánico; caso contrario dejar que el fabricante indique lo más apropiado. El criterio primario a considerar en esta elección es la característica del agua con la cual tendrá contacto la bomba. Los materiales comúnmente empleados son: a) El hierro, que tiene buena resistencia a la abrasión y a la presión; es empleado para los cuerpos, bases e impulsores de las bombas. b) El bronce, que tiene buena resistencia a la corrosión, pero muy poca a la abrasión. c) El acero, que tiene buena resistencia a las temperaturas y presione elevadas. Posición o instalación de las bombas. Debe ser determinada la siguiente información: a) Cómo será la instalación de la bomba: horizontalmente o verticalmente. b) Si se requiere base común. c) Dimensiones de la bomba. d) Tipo de acoplamiento: flexible o cardán. e) Tipo de tablero de control. 4.1. A. REQUERIMIENTOS ESPECIALES. Se debe comprometer al proveedor del equipo a lo siguiente: a) Entregar curvas certificadas. b) Presenciar prueba de operación. c) Presenciar prueba hidráulica. d) Servicio de puesta en marcha. e) Copia lista de partes. f) Copia plano de conjunto. Determinación de la curva del sistema Con la información obtenida en la etapa de levantamiento de datos se elaborará la curva característica del sistema, la cual representará la altura de la carga total que deben vencer las bombas funcionando a los diversos caudales del proyecto. La curva del sistema es la representación gráfica de la suma de la altura estática, las pérdidas por fricción y las pérdidas singulares del sistema con respecto al caudal.
4.2. METODOS DE SELECCIÓN Curvas características de bombas centrífugas. Las características de funcionamiento de una bomba centrífuga se representa mediante una serie de curvas en un gráfico de coordenada caudal - altura (Q-H); caudal presión (Q-P) y caudal - eficiencia (Q-η). A cualquier punto Qx le corresponde un valor en las coordenadas Hx, Px y ηx (véase figura 10). Cada curva corresponde a una determinada velocidad de rotación y un diámetro de impulsor. La curva característica representa el comportamiento de la bomba bajo diferentes condiciones de trabajo, las cuales son definidas por la altura total del sistema contra el cual está trabajando, es decir, por el punto de intersección de las curvas de la bomba y del sistema. Relaciones y características de las bombas centrifugas Estas relaciones se utilizan en los siguientes casos: - Para obtener la curva característica de la bomba que tiene una velocidad de rotación diferente, de aquella para la cual se conoce su curva característica. - Predecir la nueva curva característica de una bomba, si fue reducido el diámetro del rotor. Determinación de la bomba. Punto de operación del sistema. En primer lugar, se debe recurrir al catálogo de curvas características de bombas proporcionado por el fabricante. Enseguida, buscamos la bomba más adecuada a las condiciones de caudal de bombeo y altura dinámica total de nuestro sistema. Finalmente, trazamos sobre las curvas de la bomba seleccionada, la curva del sistema y determinamos su punto de operación. De preferencia la bomba deberá tener una velocidad de rotación de 3600 rpm. La selección debe realizarse tratando de obtener la máxima eficiencia del sistema de bombeo (véase figura 12). En el diagrama de las curvas de la bomba, también están dibujadas las curvas para determinar la eficiencia, la potencia y el NPHS requerido por la bomba. Se debe comparar el NPSH disponible del sistema con el NPSH requerido por la bomba. El disponible debe ser mayor que el requerido. Diámetro impulsor. No siempre la curva suministrada por el fabricante está construida para las características deseadas, de forma que se hace necesario modificarlas y lograr la selección del equipo mas apropiado, técnica y económicamente. Por ejemplo, si el punto de operación de la bomba cae entre dos impulsores, se debe emplear las leyes de afinidad para determinar el diámetro exacto del impulsor de la bomba seleccionada.
Selección del motor. Anteriormente se determinó la potencia consumida por la bomba. Si el motor fuera eléctrico se podría colocar uno de estas mismas características siempre y cuando se tenga la seguridad de lo siguiente: - Se va a trabajar al nivel del mar. - Que se va a arrancar contra válvula descarga cerrada. - El cálculo de la altura manométrica sea confiable. Como estas condiciones raramente se cumplen, se recomienda usar un factor de servicio de 1.15 al motor, siempre y cuando se cuente con válvula, en caso contrario habría que calcular sobre la potencia máxima absorbida por la bomba. Si la bomba fuera a trabajar con un motor a petróleo a una elevación diferente a la del mar, habrá que tener en cuenta la recomendación del fabricante del motor, sobre pérdidas de potencia por elevación. Generalmente como promedio se puede considerar una pérdida matriz del 1% en cada 100 metros de elevación (cada fabricante especifica en sus hojas técnicas).
5.0 DESCRIPCION DEL EQUIPO DE BOMBEO. 5.1. DISEÑO DE POZOS DE AGUA Los criterios generales de diseño de las cisternas de bombeo de agua potable y de las cámaras de succión de aguas residuales son las siguientes: •
Condiciones y dirección del flujo. Es recomendable evitar los siguientes aspectos geométricos que pueden conducir a un mal diseño: -
Flujo irregular, régimen turbulento y cambios bruscos en la dirección del flujo. Paredes contiguas y rotación del flujo. Pozos rápidamente divergentes. Pendientes pronunciadas. Distribución asimétrica de flujo en el pozo. Entrada de agua al pozo por debajo del nivel de la tubería de succión.
Son medidas aconsejables la adopción de velocidades moderadas (inferiores a 0,90 m/s), la cuidadosa adopción de dimensiones, la introducción de cortinas o paredes guías (figura 5.1). Cuando las bombas están situadas en línea en una misma cámara de bombeo, se deberá evitar que el agua pase a través de las tuberías de succión de las bombas hasta alcanzar la última unidad. En el caso que no se pueda lograr esta condición, las bombas deberán espaciarse convenientemente y se deberán ampliar la anchura del pozo, reduciéndose la velocidad del flujo al mínimo posible. Esa disposición no es recomendable para las bombas de alta velocidad específica
FIG.5.1 DEFECTOS MÁS COMUNES EN LA UBICACIÓN DE LA TUBERÍA DE INGRESO A POZOS DE BOMBEO QUE PROVOCAN LA FORMACIÓN DE BURBUJAS DE AIRE
• Entrada
de aire y vórtices. La tubería de succión deberá ser completamente estanca para evitar la pérdida de agua y la introducción de aire. La entrada de aire en la tubería de succión puede ser causada por: - Piezas y uniones que filtran. - La formación de vórtices. - La introducción y liberación de aire (aire enrarecido, aire emulsionado y aire disuelto), por una configuración inadecuada de la entrada de agua a la cisterna y de la tubería de succión de la bomba
Las condiciones que favorecen la formación de vórtices son: - Sumergimiento muy pequeño de la tubería de succión. - Altas velocidades de flujo en la succión y - Mala distribución del flujo. La entrada de aire a través de vórtices interfiere con el funcionamiento de las bombas, con las condiciones de cebaje, con el ruido y con el caudal de bombeo. Para evitar vórtices se debe tener una profundidad mínima y reducir la velocidad de entrada en la boca de succión. Valores hasta 0,90 m/s son aceptables. Se recomienda también instalar una ampliación en forma de campana. En el caso que las cámaras sean alimentadas por tuberías sobre el nivel de agua (descarga libre), deben evitarse descargas directas junto a los tubos de succión (figura 5.1). •
Dimensiones. El área mínima del pozo de bombeo individual (aislado) debe ser 12.5 veces el área de la sección de entrada en la tubería. El área de la sección de flujo en la parte inicial del pozo (BC en Fig. 17) debe ser por lo menos 10 veces el área de sección de entrada en la tubería de succión.
•
Altura de sumergencia. Desde el punto de vista hidráulico, la altura mínima de agua por encima de la boca de succión debería ser:
Siendo v, la velocidad en la tubería de succión en m/s. En la práctica se adopta las alturas mínimas siguientes para evitar la formación de vórtices (figura 5.2): H α1.5D (a partir del plano del rotor en el caso de bombas verticales del tipo axial). H α 2D (a partir de la superficie inferior de la boca de entrada en el caso de bombas centrifugas con aspiración). Para bombas pequeñas, la altura no debe ser inferior a 0.50 m.
•
Distancia a las paredes y al fondo. El espacio libre entre el fondo de la cámara de succión y la boca de del tubo de aspiración debe encontrarse en el siguiente rango: 0.5 α 0.75D
Donde D, es el diámetro de la línea de succión (figura 5.2).
FIG 5.2 SUMERGENCIA MÍNIMA DEL TUBO DE SUCCIÓN Y DISTANCIA DE LA CAMPANA DE SUCCIÓN AL FONDO DE LA CÁMARA DE SUCCIÓN
En los pozos con deflectores la distancia mínima entre el eje de la canalización y las paredes adyacentes será fijada como mínimo en 1.5D. En los pozos sin deflectores, la distancia entre el eje de la canalización y las paredes adyacentes laterales será como mínimo de 1.5D y la distancia entre el eje de la canalización y la pared de fondo será del orden 1.1D a 1.2D (figura 5.3). Las distancias mínimas recomendadas entre las paredes de la cámara y las tuberías de aspiración se muestran en la figura 5.3 Las cisternas y pozos de bombeo deberán contar con la holgura necesaria para el montaje y desmontaje de los equipos e instalaciones complementarias y circulación del personal de operación y mantenimiento. Para cumplir con esta condición, las cisternas y pozos de succión deben cumplir con la recomendación mostrada en la figura 5.3. Se debe evitar ubicar las bombas en formas similares a las que se muestran en la figura 5.4. •
Volumen y tiempo de retención. Son cámaras de sección circular, cuadrada o rectangular (vista de planta) que tienen la función de almacenar el agua, previa a su bombeo. En el cálculo del volumen de las cámaras de bombeo se presentan dos casos: -Cisterna de bombeo con almacenamiento, que se debe emplear cuando el rendimiento de la fuente no sea suficiente para suministrar el caudal de bombeo. -Cisterna de bombeo sin almacenamiento, que se debe emplear cuando la fuente de provisión de agua tenga una capacidad mayor o igual al caudal de bombeo.
En el primer caso, el volumen de la cisterna de bombeo con almacenamiento debe ser calculado realizando un balance o diagrama de masas, considerando el caudal minino de la fuente de agua y el caudal de bombeo. En el segundo caso, el volumen de la cisterna debe ser calculado considerando un tiempo de retención entre 3 a 5 minutos, para el caudal máximo diario.
FIG 5.3: DISPOSICIONES Y DIMENSIONES RECOMENDADAS PARA POZOS DE SUCCIÓN
FIG 5.4: FORMAS INCORRECTAS DE DISPONER LAS BOMBAS EN LAS CISTERNAS DE BOMBEO •
Consideraciones económicas. Se deben considerar los costos de instalación y operación. Los costos de instalación incluyen: motor, bomba, tuberías y accesorios. Los precios de la bomba dependen del tamaño, determinado por el caudal, la carga total y la eficiencia. Para optimizar costos el motor debe ser elegido de acuerdo a la potencia máximo de servicio y no sobredimensionando como ocurre muchas veces.
Los costos de operación dependen principalmente del número de horas de operación diarias, determinando el consumo de energía. Por otro lado, como la vida de la bomba es limitada por la corrosión causada por el líquido en movimiento y otras razones, un sacrificio en la eficiencia puede compensar la reducción del costo de la bomba de construcción simple y barata. En los casos en que el uso es de pocas horas por día, se puede considerar la disminución del caudal y con eso, del tamaño de la Bomba y de la potencia, extendiendo el servicio por más horas, si es conveniente. •
Solicitud de equipo. Al momento de solicitar una propuesta de un equipo de bombeo al proveedor, debemos indicarle que el contenido de dicha propuesta contenga la información que a continuación se detalla:
a) Condiciones de operación del sistema de bombeo - Líquido a bombear - Caudal (lps) a la temperatura de bombeo. - Altura manométrica total en metros. - NPHS requerido. b) Relacionado a la bomba - Número de modelo de la bomba. - Número de unidades.
- Tipo de bomba. - Peso unitario. - Curva de operación de la bomba. - Precio y tiempo de entrega de la bomba. c) Accionamiento - Tipo de motor para el que se ha diseñado la bomba. - Velocidad en RPM - Potencia continua en HP - Marca y modelo. - Corriente eléctrica requerida por el motor: volt/ciclos/fases. - Tipo de protección si es eléctrico. d) Material - Caja. - Tapa de succión. - Impulsor. - Anillo de desgaste. - Bocina eje. - Prensa - estopa ó sello mecánico. f) Base común, posición e instalación, auxiliares - Tipo de base común, si fue requerido por el cliente. - Longitud de columna., en el caso de bombas verticales. - Columna adicional, si es el caso. - Longitud total de bomba sin motor. - Tipo de acoplamiento flexible o cardán. - Tipo de tablero. g) Requerimiento especial del cliente - Curvas certificadas. - Copia lista de partes. - Copia plano de conjunto - Presenciar prueba de operación. - Presenciar prueba hidráulica. - Servicio puesta en marcha. Disposiciones o acuerdos legales con respecto a planos, garantías, instalación de la unidad, fecha de embarque, condiciones de pago, impuestos, seguros, transporte, etc. - Ilustración de la bomba y catalogo. Los principales criterios para evaluar propuestas alternativas de equipos de bombeo son los siguientes: a) Eficiencia de la bomba b) Normalización de equipos. c) Características constructivas. d) Servicios y repuestos. e) Costo inicial más bajo. Entre una bomba con una eficiencia mayor pero con un costo inicial más alto, se debe comparar lo que significa el ahorro de energía contra el mayor costo marginal inicial y debe tratarse como cualquier presupuesto de capital.
EJEMPLO DE FORMATO DE SOLICITUD DE EQUIPO DE BOMBEO
DIAGRAMA DE FLUJO PARA SOLICITUD DE EQUIPO DE BOMEBEO
5.2 SECCION DE ADMISION Y DESCARGA. Para lograr obtener mayores ventajas en cuanto a eficiencia, flexibilidad y confiabilidad, cumpliendo un amplio rango de requerimientos, es necesario conocer los componentes básicos de la bomba vertical. Una selección apropiada de los varios componentes y tipos de construcciones disponibles dependerá de factores tales como la profundidad y longitud de la bomba, el tamaño de esta y su velocidad de rotación, propiedades abrasivas y corrosivas del fluido bombeado, temperatura de fluido y las cualidades lubricadoras del fluido. • Componentes de una Bomba Vertical Los cuatro componentes básicos de una bomba vertical son: - Elemento Motriz. - Ensamble del Cabezal de Descarga. - Ensamble de Columna y eje de la bomba. - Ensamble de tazones. • Elemento Motriz El elemento motriz provee la potencia para rotar el eje y los impulsores, dándoles también el soporte necesario para contrarrestar el empuje axial ocasionado por el accionar de la bomba. El elemento motriz más común es el motor eléctrico. Otros elementos incluyen motores de combustión interna con cabezales engranados o motores de vapor. • Ensamble del Cabezal de Descarga El cabezal de descarga ya sea de acero estructural o de hierro fundido, puede suministrarse en diferentes tipos de configuraciones para cubrir diferentes especificaciones y requerimientos del sistema. El cabezal de descarga tiene cuatro funciones principales: - Alinea a la bomba con el elemento motriz, eliminando la necesidad de utilizar coples de flecha flexibles. - Provee soporte externo a la unidad entera de bombeo. - Dirige el flujo a la dirección deseada. - Provee un sello para evitar las fugas en el eje. • Ensamble de Columna y Eje de la Bomba Conecta el cabezal de descarga con el ensamble de tazones y tiene dos funciones principales: 1. Alberga a las mariposas del eje de columna que proveen soporte radial. 2. Canaliza el fluido bombeado verticalmente desde los impulsores hasta el cabezal de descarga. La longitud de la columna y eje dependerán de los requerimientos del sistema, el eje podrá ser lubricación agua o aceite. • Ensamble de Tazones Generalmente se construye en materiales standard, almacenados en inventario. El diámetro del tazón determina la taza de flujo, mientras que el número de etapas determina la presión o carga. Los impulsores pueden ser Semiabiertos y cerrados. El tipo de descarga de la bomba puede ser variado para adaptarse a diferentes sistemas de tubería dependiendo de la aplicación.
5.2.1. ENSAMBLE DE TAZONES DE TURBINA 1. Los tazones son fabricados con hierro vaciado de alta calidad para trabajo pesado con una resistencia mínima a la tensión de 30,000 PSI, con superficies de paso de líquido lisas diseñados para operación eficiente. Disponibilidad opcional de superficies de paso recubierta para mejorar la eficiencia de la bomba. El ensamble de los tazones puede ser en etapas para producir presiones más altas para una capacidad dada. (En los diseños 6M, 7M y 8M se usan conexiones roscadas entre tazones.) 2. Los impulsores cerrados son calibrados para los tazones de la bomba. Los impulsores fundidos a precisión son balanceados dinámicamente para evitar la vibración. Los impulsores son asegurados al eje con manguitos cónicos. En unidades de mayor tamaño, se usa un collar y cuña para asegurar el impulsor a la flecha. Una tuerca de ajuste superior de la flecha o acoplamiento ajustable facilitan el ajuste de la tolerancia entre los impulsores y los tazones. 3. Para asegurar una larga vida, la chumacera de succión es empacada con grasa y protegida con un collar contra arena para evitar la entrada de arenillas y abrasivos. 4. La campana de succión de hierro fundido y sus aletas guía de hierro fundido integral proporcionan un flujo uniforme hacia el impulsor de la primera etapa. Esto reduce la formación de vórtices y contribuye a una operación eficiente. 5. Las chumaceras de tazón son lubricadas con el líquido bombeado y aseguran la alineación precisa de la flecha. 6. Hay disponibilidad de anillos de desgaste para impulsores y tazones como opción para recuperar las tolerancias de los impulsores cuando no es posible hacer más ajustes externos. Estos anillos renovables permiten al propietario restaurar una unidad gastada e ineficiente casi a su condición original, extendiendo su operación muchos años. 7. Donde se usa una flecha encapsulada, las chumaceras de conexión son lubricadas con agua, aceite o grasa, dependiendo del lubricante usado en el tubo de cubierta.
FIG 5.5 ENSAMBLE DE TAZONES DE TURBINA
5.2.2. ENSAMBLES DE TAZONES DE FLUJO AXIAL Y MIXTO 1. Tazones de hierro fundido de alta calidad para trabajo pesado con superficies de paso lisas mejoran la eficiencia de operación. 2. Las chumaceras de los tazones intermedios y de descarga son lubricadas con el producto y están diseñadas para soportar la carga máxima durante una larga vida de servicio. La chumacera de la campana de succión está empacada con grasa y protegida con un collar contra arena para arenillas y abrasivos. 3. La campana de succión presenta tres o cuatro alabes guía de fundido integral para reducir los vórtices y pérdidas en la entrada. El reducido número de alabes permite el paso de sólidos. 4. Los alabes del difusor de descarga proporcionan un flujo uniforme en la entrada de la columna de descarga. 5. Las hélices de flujo axial presentan bordes obtusos para prevenir la acumulación de material fibroso y proporcionar mayor capacidad de paso de sólidos. Las hélices modelo 8211 son aseguradas a la flecha con cuñas longitudinales y collares a presión. 6. El diseño de hélice o impulsor de flujo mixto también presenta diseño de bordes obtusos e hidroaleta para pasar sólidos de gran tamaño. Estas hélices son acopladas a la flecha con un manguito cónico y contra tuerca. (Los tamaños más grandes del 8312 también incorporan cuñas) Todas las hélices son balanceadas dinámicamente para eliminar la vibración. 7. Los ejes para tazones grandes son de suficiente diámetro para transmitir el torque de impulso requerido.
FIG 5.6 ENSAMBLE DE TAZONES DE FLUJO AXIAL Y MIXTO.
8. Hay revestimientos para tazón disponibles para proporcionar una superficie renovable y mantener la tolerancia entre la hélice y el tazón. El reemplazo de los revestimientos para tazón restaura las unidades gastadas a su condición original extendiendo la operación eficiente durante muchos años.
5.2.3 CABEZALES DE DESCARGA. 1. Los robustos cabezales de descarga de hierro fundido cumplen los requisitos sanitarios, soportan la columna, la flecha y el ensamble de tazones, y además aceptan cualquier motor vertical. Grandes puertos de inspección facilitan el acceso al prensaestopas o sello mecánico y los pasos de líquido lisos aseguran menos pérdidas por fricción y mejor eficiencia general. La descarga con brida fundida integralmente puede ser diseñada para 125 lb. ó 250 lb. 2. Tenemos disponibles placas de base de hierro fundido o acero para el montaje de los cabezales de descarga. Una vez que la placa de de base está nivelada y calafateada en su lugar, la bomba puede ser removida fácilmente para mantenimiento y reinstalada sin volver a alinear. 3. Se dispone también de cabezales de descarga fabricados con placa de acero de alta calidad, con la descarga para brida o extremo liso. El diseño de descarga mediante brida va hasta 300 lbs. El diseño del codo de tres segmentos da uniformidad al flujo de fluido y reduce las pérdidas por fricción, para operación eficiente. 4. El arreglo de lubricación con agua limpia utiliza prensaestopas o sello mecánico para sellar la flecha. En el sello mecánico o prensaestopas se canaliza una fuente exterior de agua que fluye a través de la cubierta de la flecha para lubricar las chumaceras. Un casquillo renovable protege la flecha hasta el área del prensaestopas. 5. Todos los diseños de los cabezales de descarga son adaptables a columnas roscadas o con brida.
FIG 5.7 CABEZAL DE DESCARGA DE BOMBA VERTICAL
5.2.4. ENSAMBLE DE EJES DE LINEA Y COLUMNAS 1. La columna de descarga en acero roscado está disponible en tamaños estándar hasta 14" de diámetro. Donde se requiere mayor resistencia o facilidad para desmontar, también hay bridas para columna de tubos en estos tamaños. Columna con brida soldable es de suministro estándar en los tamaños de columna de 16" y mayores. 2. En aplicaciones de flecha cubierta, la alineación se mantiene empatando los tubos dentro del acoplamiento tipo casquillo. Cuando se usa flecha abierta, los extremos de los tubos son empatados al tope con la brida de retención de la chumacera. 3. El uso de un tubo de cubierta protege la flecha y chumaceras del líquido de bombeo. El lubricante puede ser aceite, grasa o agua de uso. Secciones intercambiables de cinco pies de longitud tienen extremos maquinados para recibir las chumaceras de conexión de bronce. Las turbinas de instalación profunda con flecha cubierta usan un estabilizador para tubo a cada 50 pies aproximadamente. 4. La potencia de la unidad motriz se transmite al ensamble de tazones a través de una flecha de alta resistencia la tensión pulida con precisión. El conjunto de flechas está acoplado con acoplamientos roscados de alta resistencia. El tamaño de la flecha y espacio entre chumaceras es seleccionado para soportar la potencia y el empuje axial y para evitar la operación a velocidades críticas. 5. En construcción de flecha abierta, hasta 14", las chumaceras albergan rodamientos de hule neopreno ranurado en espiral de neopreno. La flecha y la cubierta renovable giran dentro de estas chumaceras. En columnas de 16" y mayores, el cubo / araña del cojinete se suelda justo bajo la brida superior de la columna. FIG 5.8 ENSAMBLE DE EJES DE LÍNEA Y COLUMNAS.
FIG 5.9 ENSAMBLE GENERAL DE BOMBA VERTICAL.
5.3 PASOS DE INSTALACIÓN PERFECTA. 5.3. A. MONTAJE: 1. No utilice su equipo para el desazolve ni el aforo de su pozo. 2. Controle si el equipo no sufrió daños durante el transporte. En el caso de que el equipo haya sufrido daños durante el transporte o el motor demuestre tener fugas de agua al llenarlo, no instale el equipo sino dé parte a la fábrica o al distribuidor. 3. No instale el equipo si no puede arrancarlo de inmediato por falta de conexión de la corriente, falta de los aparatos eléctricos de control, etc. 4. Verifique que el voltaje y la frecuencia de su línea eléctrica corresponda a los datos de la placa del equipo, pero no haga funcionar de ninguna manera fuera del pozo. 5. La Ahora sáquese rejilla de la entrada de agua a la bomba hágase girar la flecha insertando un destornillador o una varilla corta en el primer impelente, para cerciorarse de que la misma gira libremente. en caso contrario avise a la fábrica o a su distribuidor. 6. Sáquese los tapones de la "entrada del agua" y la"salida del aire" y apriete el tapón de la salida de agua al pie del equipo, por si se haya soltado algo. 7. Manteniendo el equipo en posición vertical llene de agua potable al motor hasta que salga por la salida de aire, no utilice agua sucia ni agua destilada. 8. Siempre manteniendo el equipo en posición vertical espere treinta minutos, haciendo girar de vez en cuando la flecha como en punto 5. 9. Después de los treinta minutos complete el llenado de agua, enrosque y apriete perfectamente los dos tapones y reponga la rejilla. 10. Sin mover el equipo de la posición vertical, instalarlo en el pozo de inmediato cuidando que quede un espacio de por lo menos un metro entre el fondo del equipo y el fondo de el pozo y sin flexionar el equipo al introducirlo en el ademe. Teniendo el motor eléctrico, chumaceras lubricadas por agua y sirviendo el agua del motor a la vez para el enfriamiento del embobinado, el llenado del motor es de vital importancia. Si no se espera los 30 minutos entre el primer llenado y el llenado del embobinado no tiene oportunidad de escapar, formando posteriormente un cojín de aire en l parte del motor que no permite una lubricación perfecta de la chumacera superior y evita el funcionamiento correcto del embobinado, lo que dentro de poco tiempo conduce a desperfectos costosos del motor. Apoyado el fondo del motor en el fondo del pozo la disipación del calor resulta deficiente. 11. Para la instalación del equipo debe utilizarse solamente la tubería de acero con roscas cónicas perfectas con sus copes normales. Al instalar el equipo en el pozo, evite cuidadosamente que el cable submarino sea aplastado o cortado su aislamiento, que se jale del cable o que se golpee el equipo contra el ademe. Cada 3 metros debe de amarrarse el cable contra la columna.
12. Los modelos UPD 62, 152, 212, B*D 262, UPH 294 Y BP* 384 deben colgar con el borde superior del cheek por lo menos dos metros por debajo del nivel más bajo del agua. Los modelos BP *-425 * *PT-466 por lo menos 15 metros. La sumergencia máxima debajo del nivel estático del agua es de 120 metros para todos los modelos. 13. El cable submarino eventualmente sobrante, no debe enrollarse sino debe ser cortado o extendido. De todas maneras debe utilizarse solamente cable del tipo submarino y eventualmente mufas impermeables especiales en toda la extensión entre el equipo y el arrancador. 5.3. B. CONEXIÓN A LA LINEA ELÉCTRICA: 14. Antes de proceder a la conexión del cable a la línea eléctrica verificar por medio de un megger (megohmetro, inductor de manivela) que no haya corto circuito en el cable submarino o contacto a tierra. Para esta prueba debe usarse solamente una tensión de mínimo 500 volts, y máximo 625 volts. En caso de que haya corto circuito, debe avisarse al distribuidor o la fábrica. 15. Verificar que el arrancador esté en perfectas condiciones de funcionamiento, que tenga protección contra carga en las fases y que los elementos térmicos de sobrecarga tengan un ajuste menor o igual a la corriente nominal del motor, marcada en la placa de la maquina. Checar si el interruptor es adecuado para las condiciones de trabajo y sobre todo que los fusibles estén perfectamente en orden. 16. Todas las conexiones entre el cable y el arrancador, el arrancador y el interruptor de seguridad y entre el interruptor y la línea deben efectuarse con mucho esmero, sin reducir el diámetro de los cables o alambres al quitar el aislamiento, ajustando fuertemente los contactos en los bornes. 17. Pegue la plaquita de caracteristicas suelta en la tapa del arrancador para fines de identificación. 5.3. C. ARRANQUE: 18. Al arrancarse el equipo debe comportarse de inmediato el sentido de giro correcto, lo que se consigue por el siguiente procedimiento, si arranca el equipo y una vez a plena marcha, se afora el agua que sale de la tuberia. Ahora se intercambian las conexiones de dos fases del cable submarino en los bornes del arrancador, se arranca nuevamente y se vuelve a medir el agua, es correcto el sentido de giro y con esto la conexión del cable dé mayor caudal de agua, no debe checarse usualmente el sentido de giro estando el equipo fuera del agua.
Esta comprobación es de suma importancia, pues de girar la máquina en sentido contrario se dañará la chumacera axial del motor y el equipo fallará dentro de poco tiempo. 19. Ahora se comprobará si el equipo está tomando el amperaje correcto. Caso contrario debe pararse el equipo de inmediato buscar la falla o entrar en contacto con la fábrica o el distribuido. 20. Una vez marchando correctamente el equipo y verificado el amperaje de servicio, se debe reajustar la graduación de los elementos térmicos o cambiarlos por otros para que estén ajustados exactamente a la corriente de trabajo y no la nominal. Por medio de este reajuste de los elementos térmicos se consigue que el equipo se desconecte automáticamente en caso de que aparezca alguna anormalidad en el suministro eléctrico Los motores sumergibles tienen un factor de servicio de 1.0 y no de 1.2 como mayormente tienen los motores de superficie, por lo que debe tomarse en cuenta este punto al escoger los elementos térmicos y atenerse a las indicaciones respectivas del catálogo del fabricante de los elementos. 5. 3. D. R ECOMENDACIONES ESPECIALES. 1. En el caso de que el pozo tenga arena, aunque haya sido desazolvado después de perforarse y asimismo, cuando no haya trabajado durante algún tiempo, recomendamos colocar una válvula de compuerta a la salida de agua, hacer trabajar la instalación DANDO ASÍ UNA SEÑAL DE ALARMA y oportunidad para verificar el origen del defecto antes de que aparezcan daños serios, La bomba, primero con la válvula muy poco abierta hasta que este caudal reducido salga totalmente limpio e ir abriendo la válvula paulatinamente a medida que el agua vaya apareciendo más limpia, hasta obtener agua totalmente clara. Por medio de este procedimiento se evita que al comienzo entre mucha arena en la bomba y que la misma se dañe indebidamente o se atasque. 2. El tipié que se use para el montaje o desmontaje debe ser de suficiente del equipo del cable suministrado (submarino) y de la tubería debe tenerse en cuenta el peso del agua contenido en la columna. 3. Donde las condiciones locales lo exigen, recomendamos instalar un apartarrayos para mayor seguridad. 4. El equipo sumergible en sí, no requiere mantenimiento alguno, pero si el arrancador y el interruptor de seguridad, debe cuidarse que el interruptor esté perfectamente en orden y que tenga los fusibles correctos, que deben corresponder por lo menos al doble de empuje nominal del motor marcado en la placa del equipo. 5. En caso de paros prolongados p.e. durante la época de lluvias, es recomendable arrancar el equipo cada dos días por unos minutos. 6. En caso de que se quiera almacenar un equipo sumergible debe enviárselo a la fábrica para prepararlo adecuadamente. 7. Los equipos deben almacenarse en posición vertical.
8. Al enviar un equipo a la fábrica para su reparación, debe acompañarse todo el cable submarino e indicar exactamente a las condiciones a las que está trabajando el equipo en cuanto a caudal y carga dinámica total. 9. Recomendamos desinstalar y hacer revisar por el fabricante los equipos sumergibles cada 2 años. La no observación de algunas de estas instrucciones causará daños prematuros y costosos en su equipo y acorta la vida del mismo.
6.0 APLICACIÓN DE BOMBAS VERTICALES DE POZO PROFUNDO. 6.1 SISTEMA DE BOMBEO PARA UNA PROFUNDIDAD DE 300 MTS. El pozo lomas de cantera es un pozo con una profundidad total de 300 metros con un ademe de 12” liso hasta los 100 metros y ranurado a partir de los 100 metros y hasta los 300 metros. El aforo realizado al pozo tuvo una duración de 72 horas aplicadas de la siguiente forma: 48 de desarrollo y 24 de aforo. De la prueba de aforo observamos que entre los 22 litros por segundo y los 34.38 el nivel dinámico se baja únicamente 14 metros, interpolando estos datos obtendremos el nivel dinámico para 30 litros por segundo del cual nuestro gasto para seleccionar el equipo de bombeo. Caudal en L/S 22 30 34.38
Nivel Dinámico en metros 131.9 X 145.16
Interpolando:
Entonces los datos para la selección del equipo de bombeo serán: Q = 30 LPS = 475.5 GPM ND = 140.46 m = 460.70 FT 6.1. A. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE EQUIPO DE BOMBEO. De los datos obtenidos de la prueba de aforo y del punto en que descarga el pozo obtendremos los datos del equipo de bombeo. Datos: Caudal Q = 30LPS = 475.5 GPM Nivel Estático NE = 89 metros = 292 FT Nivel Dinámico ND = 140.46 = 469.70 FT Carga Estática de Descarga HD = 0.5 metros = 1.64 FT Longitud de Columna Lc = 155 metros = 508.4 FT
Nota: La longitud de la columna se obtiene de la recomendación de los fabricantes de equipos de bombeo para proteger la cavitación del equipo. En estos casos estamos protegiendo nuestro equipo de bombeo con 15 metros. Por lo que para la prueba de nuestra tubería de columna el concepto quedará como sigue: • Tubería de acero al carbón de 6” de diámetro con cuerda cónica en los extremos y cople, cedula 40, con costura, en tramos de 10 pies de longitud (3.05 metros), 51 tramos. • Tubería de acero al carbón de 6” de diámetro con cuerda cónica en los extremos y cople, cedula 40, con costura, en tramos de 5 pies de longitud (1.52 metros). •
Calculo de la carga dinámica total
El cálculo de este parámetro lo realizaremos por el método de cargas separadas:
Donde:
•
Calculo de la carga dinámica total
Donde: Nivel Dinámico Pérdidas por fricción Pérdidas por accesorios •
Pérdidas por fricción en la columna
.
Para este cálculo utilizaremos la tabla 3.1 del instituto de hidráulica para perdidas por fricción en tuberías de acero al carbón cedula 40, en la cual suponemos que para el caudal deseado instalaremos tubería de 6” de diámetro. Para nuestro gasto estimado de 475 GPM, no existe un dato predeterminado en la tabla por lo cual interpolaremos los datos emitidos por la tabla para 450 y 500 GPM.
Caudal en GPM
Pérdidas por fricción en FT 1.36 X 1.66
450 475 500
Entonces la interpolación queda como sigue:
Este resultado nos indica la perdida por fricción de un tubo de 6” de diámetro para 100 FT de conducción, ahora calcularemos las pérdidas para el total de nuestra tubería:
•
Pérdidas por accesorios
.
El único accesorio para este cálculo se considera un codo de descarga en el cabezal, el cual está a 90° y un diámetro de 6”; la ecuación a utilizar será la siguiente:
Donde: H = perdidas por fricción en el accesorio V = velocidad del fluido en la tubería K = coeficiente de resistencia por accesorio G = gravedad Los valores de K serán encontrados en la tabla emitida por el instituto de hidráulica para accesorios en tuberías, nótese como los accesorios bridados tienen menos coeficiente de resistencia K que los accesorios roscados. Los coeficientes de resistencia generalmente disminuyen con el crecimiento de tamaño en la tubería. De la tabla anterior, obtenemos K=0.2 para un codo largo de 6 pulgadas de diámetro, entonces:
Las pérdidas en nuestro accesorio serán de: =0.086Ft
Con estos datos podemos ya calcular nuestra carga de succión ( entonces tenemos:
•
en metros, y
Calculo de carga de descarga
Basados en el diseño autorizado por la NOM emitida por la Comisión Nacional del Agua para trenes descarga de pozos, y considerando que este pozo, prácticamente es a descarga libre tenemos el siguiente diseño: La suma de las distancias indicadas en la figura anterior para un diámetro de 6” de diámetro, es de aproximadamente de 5.00 metros, por lo cual las pérdidas por fricción serán calculadas para esa longitud de conducción. Antes de continuar con nuestro cálculo despiezaremos nuestro tren de descarga.
DESCRIPCIÓN
UNIDAD
CANTIDAD
PLACA DE ACERO AL CARBÓN DE 24”X24”X1”
PIEZA
1
TUBO DE ACERO AL CARBÓN 6” DE DIÁMETRO CON ROSCA CÓNICA EN LOS EXTREMOS Y COPLE, CEDULA 40, CON COSTURA, TRAMO 1.52 METROS
PIEZA
1
TUBO DE ACERO AL CARBÓN 6”DE DIÁMETRO, CEDULA 40, POR 20 PIES DE LONGITUD
PIEZA
1
CODO DE ACERO AL CARBÓN SOLDABLE DE 6”X90° BISELADO EN LOS EXTREMOS
PIEZA
1
BRIDA SOLDABLE SLIP ON SERIE 1|50, DE 6” DE DIÁMETRO
PIEZAS
10
EMPAQUE DE PLOMO DE 6” DE DIÁMETRO
PIEZAS
5
PIEZA
1
JUNTA DRESSER DE 6” DE DIAMETRO
PIEZAS
2
TORNILLO CABEZA HEXAGONAL CUERDA ESTÁNDAR “X3” CON TUERCA
PIEZAS
50
PINTURA EPÓXICA PRIMARIO CATALIZADA ESPECIAL PARA TUBERÍA DE ACERO SUMERGIDA EN AGUA CUBETA DE 19 LITROS
CUBETAS
3
MEDIDOR DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICO CON TRANSMISOR DE FLUJO 127 VOLTS CON SALIDA DE 4 A 20 MILI AMPERES, EQUIPADO CON ANTENA, MÁSTIL DE 15 METROS, RADIO MÓDEM Y TODOS LOS ACCESORIOS NECESARIOS PARA ENVIAR LOS DATOS RECABADOS A LA CENTRAL IPI II
TABLA 6.XX DESCRIPCIÓN DE PIEZAS EN TREN DE DESCARGA DE LA BOMBA
Antes recordaremos que: Donde:
•
Carga estática de descarga
.
Cabe recordad que la carga estática de descarga es la diferencia de elevación entre el nivel libre del agua y el eje horizontal del tren de descarga de la bomba, en este caso el punto de descarga es un tanque enterrado, que se encuentra 0.50 metros por debajo del tren de descarga. Por lo tanto:
•
Pérdidas por fricción en la descarga
Considerando 5 metros (16.4Ft) de conducción y con los datos obtenidos en la tabla del instituto de hidráulica tenemos que: =0.24Ft
•
Pérdidas por accesorios en la descarga
Como observamos en nuestro diseño de tren de descarga tenemos varios accesorios, los cuales enumeramos a continuación con su respectivo factor K de fricción: ACCESORIO
FACTOR K
CANTIDAD
EXTREMIDAD DE FIERRO FUNDIDO 6”
0.5
2 PIEZAS
0.42
COPLE TIPO DRESSER DE 6”
0.03
2 PIEZAS
0.024
MEDIDOR DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICO DE 6”
0.1
1 PIEZAS
0.043
CODO DE 45° BRIDADO LARGO DE 6”
0.15
2 PIEZAS
0.12
EN ft
Entonces para las extremidades tenemos que: =0.42 Ft Para los coples dresser: =0.024 Ft Para el medidor de flujo electromagnético: =0.043 Ft Para los codos de 45°: =0.12 Ft Sumando las pérdidas en todos los accesorios tenemos que:
•
Carga de velocidad
.
Entonces la tabla 3.1 del instituto de hidráulica observamos que la carga de descarga para nuestro caudal de 30 litros por segundo es de 0.43Ft (0.131 metros)
Regresando a nuestra fórmula para la Carga Dinámica Total tenemos que:
Donde:
Entonces:
Nuestro equipo de bombeo deberá entrarnos las siguientes condiciones de operación: Caudal Q = 30LPS = 475.5GPM Carga Dinámica Total = 142.77metros = 468.31Ft Nivel Estático NE = 89metros = 292Ft Nivel Dinámico ND = 140.46 = 469.70 Ft Carga estática de descarga HD = 0.5metros = 1.64 Ft Longitud de Columna LC = 155metros = 508.4Ft Tipo de bomba requerida: motobomba vertical tipo sumergible Eficiencia de la bomba = según NOM-010-ENER-2004 = 74% Una vez establecidas las condiciones de operación de nuestro equipo de bombeo, calcularemos la potencia de nuestra unidad con la siguiente fórmula:
Donde: Q = caudal, expresado en litros/segundo H = carga dinámica total expresada en metros = gravedad especifica (adimensional) = Eficiencia de la bomba Entonces:
Nuestra potencia requerida por la bomba es de 77.17 HP •
Calculo de la potencia eléctrica
Donde: Q = caudal, expresado en litros/segundo H = carga dinámica total expresada en metros = gravedad especifica (adimensional) = Eficiencia de la bomba = Eficiencia del motor Entonces:
La eficiencia mínima del motor sumergible se obtiene de la tabla 2 de la norma oficial mexicana NOM-010-ENER-2004, la cual para motores de más de 60HP es de 87% A continuación observaremos posibles curvas de operación de 5 diferentes fabricantes con la finalidad de establecer los parámetros para seleccionar los equipos que se nos pudieran ofrecer, cuando se realice la adquisición de estos. Se observa que el comportamiento de estas 5 curvas es muy similar en cuanto a eficiencia se refiere, todas las marcas están por arriba del 72% en el punto de operación, y en el punto mas óptimo de la curva cumple con la NOM vigente. Se recomienda que cuando se realice la adquisición del equipo de bombeo se especifique, que se realizaran visitas de forma aleatorias a la fabrica para supervisar la fabricación de los equipos, además se solicitará certificado de los materiales empleados en los equipos (bronces, aceros inoxidables, alambre magneto, etc.) y verificar en un laboratorio certificado que el equipo cumpla con la eficiencia requerida por la NOM-010-ENER-2004. 6.2 SISTEMA DE BOMBEO PARA UNA PROFUNDIDA DE 70 METROS. QAFORO= 75 I/s = 0.075 m3/s QBOMBA= 60 I/s = 0.60 m3/s Profundidad del pozo = 70 m DADEME = 457 mm =18 plg DCOLUMNA = 203 mm =8 plg DTUBERIA CONDUNCENTE = 203 mm = 8 plg Z1 = 50 m Z2 = 26 m Fluido = Agua potable LTUBERIA = 240 m Longitud equivalente Diámetr LEQUIVALENTE (m) Piezas. o Válvula de retención 203 mm. 16.0 1 Válvula de 203 mm. 1.4 1 compuerta Codo a 450 203 mm. 5.5 2 LEQUIVALENTE = Accesorio.
Total (m) 16.0 1.4 11.0 28.4
L=VA V= Q / AADEME V1 = (0.060 m3/s) / (0.785) (0.203 m)2 V1= 0.3659 m/s V= Q / ATUBERIA V2 = (0.060 m3/s) / ( o.785) (0.203 m)2 V2 =1.85 m/s Rugosidad relativa: El material que se utiliza en la tubería de conducción es PVC. Ԑ = 0.009 mm = 9 x 10-6 m Ԑ/ D = (9 x 10-6 m) / (0.203 m) Ԑ/ D = 0.00004 Numero de Reynolds: Re = Re = (1.85 m/s) (0.203 m) / (1.02 x 10-6 m2/s) Re = 3.68 x 105 Del diagrama de Moody: F = 0.014 Carga de rozamiento utilizando la ecuación de DARCY-WEISBACH. HGR 1-2 = f (L/D) (V2/2g) HR 1-2 = 0.014 (268.4 m / 0.203 m) (1.85 m/s)2 / (19.62 m/s)2 HR 1-2 = 3.22 m Carga dinamica total: H = (Z2 – Z1) + ((V2)2 – (V1)2 /2g + HR 1-2 H = (26 m – (-50 m) + ((1.85 m/s)2 – ((0.3659 m/s)2 / 19.62 m/s2 + 3.22m H = 76 m + 0.18 m + 3.22 m H = 79.40 m De tablas tenemos lo siguiente: HIMPULSOR =14.50 m NPASOS = 79.40 m / 14.50 m NPASOS = 5.47 Por lo tanto: NPASOS = 6 Potencia de la bomba: PB = Q H γ / 76 ηbomba 1 HP = 76 PB = (0.060 m3/s) (79.40 m) ( 1000kg/m3) / (76) (0.80) PB = 78.35 HP Potencia del motor eléctrico: PME = PB / ηME
PME = 78.35 HP / 0.9 PME = 87.05 HP Por lo tanto utilizaremos un motor eléctrico de 100 HP 6.2.1. SELECCIÓN DEL EQUIPO PARA UN SISTEMA DE EXTRACCION DE AGUA POTABLE MEDIANTE UNA BOMBA CENTRIFUGA VERTICAL DE POZO PROFUNDO. EQUIPO REQUERIDO C
BOMBA CENTRIFUGA VERTICAL DE POZO PROFUNDO, Q = 60 . CDT = 79.4
UNIDAD PIEZA
CANT. 1
M, EFICIENCIA DE LA BOMBA 80%, DIÁMETRO DE COLUMNA DE 203 MM ( 8 PULGADAS), 1170 R.P.M. 6 PASOS, MODELO 10D 16LC 6970, IMPULSOR SEMI ABIERTO T 4, CON MOTOR ELÉCTRICO DE 74.6 KW, 440 VOLTS, 60 HZ, 6 POLOS, 1200 R.P.M. VERTICAL CON FLECHA HUECA, CON TRINQUETE DE NO RETROCESO. JUNTA DRESSER, DE DIÁMETRO DE 203 MM ( 8 PULGADAS) VÁLVULA DE COMPUERTA DE DIÁMETRO DE 203 MM (8 PULGADAS) VÁLVULA DE COMPUERTA DE DIÁMETRO DE 50.8 MM ( 2 PULGADAS) VÁLVULA PARA EXPULSIÓN DE AIRE DE 50.8 MM ( 2 PULGADAS) MANÓMETRO DE 0-10 KGF/CM2 VÁLVULA DE RETENCIÓN (CHECK), DE DIÁMETRO DE 203 MM (8
PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA
1 1 1 1 1 1
PIEZA
20
PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA
20 20 7 1 78
PIEZA
2
PIEZA PIEZA
1 1
PIEZA PIEZA
1 1
PIEZA PIEZA
1 1
PULGADAS). CLASE 8.8
O
N
(125
C
E
P
T
O
)
TUBO DE ACERO AL 1045 DE DIÁMETRO DE 203 MM (8 PULGADAS), ROSCADOS EN LOS EXTREMOS. COPLE DE DIÁMETRO DE 203 MM (8 PULGADAS) FLECHA DE ACERO 1045 DE DIÁMETRO 53.975 (2-1/8 PULGADAS) PORTA CHUMACERA COLADOR TIPO CÓNICO TUBERÍA DE PVC, DE DIÁMETRO DE 203 MM (8 PULGADAS), BRIDADO EN LOS EXTREMOS, CEDULA 80. CODO A 450 DE PVC, DE DIÁMETRO DE 203 MM (8 PULGADAS), BRIDADO EN LOS EXTREMOS. CENTRO DE CARGA TRANSFORMADOR 112.5KVA, 23 KVOLTS EN EL PRIMARIO, 230/460 VOLTS EN EL SECUNDARIO INCLUYE: MUFA PARA LA SALIDA DE BAJA TENSIÓN CON TUBO GALVANIZADO PARED GRUESA DE 4” T 2 VARILLAS COPERWELT PARA SISTEMA DE TIERRA. INTERRUPTOR GENERAL 600 VOLTS A 125 AMPERES ARRANCADOR A TENSIÓN REDUCIDA CON ELEMENTOS TÉRMICOS PARA MOTOR DE 74.6 KW (100 HP) INTERRUPTOR DE PRESIÓN ELECTRO NIVEL EN EL ADEME
6.2.2. MOTOR ELECTRICO. GENERALIDAD SOBRE SU SELECCIÓN. La selección de un motor eléctrico, implica la necesidad de escoger su tipo y su diseño así como su tamaño adecuado. Tanto en su diseño eléctrico como en sus
características mecánicas, todos los motores eléctricos han sido fabricados para una particular aplicación que puede cubrir muchas necesidades industriales. Las normas, estándar es bajo las cuales son diseñados y construidos los motores son clave para su aplicación correcta los estandartes de fabricación de los motores caen dentro de tres categorías generales que cubren su aplicación con relación al ambiente, su diseño eléctrico y su diseño mecánico. •
Requerimientos nema del diseño del motor eléctrico.
El par motor (Torque), disponible en un motor, puede ser determinado por medio de los datos de placa del propio motor, el cual normalmente debe venir especificado en los caballos de potencia “CP” o r.p.m., mediante la siguiente relación: T= De donde: T = par motor (toque disponible en kg.-m (lb-ft) CP = Caballos de potencia. r.p.m = Velocidad del motor en revoluciones por minuto. 0.1383 = Constante para unidades en el sistema inglés. Aunque el par motor a plena carga es una indicación básica para determinar el tamaño de un motor, existen otros características bien definidas tales como su capacidad para arrancar una determinada carga de su punto de reposo, y su capacidad para acelerarla hasta su plena velocidad de régimen, su capacidad de sobre carga y otros de más delicada aplicación industrial que es determinado por el diseño eléctrico de los motores: a continuación se expresa a un que generalmente las características básicas de los 5 diseños NEMA para motores trifásicos de inducción de tipo jaula de ardilla. •
Clasificación NEMA.
NEMA.- DISEÑO A Y B. Motores muy similares, excepto que el diseño B tiene un par de arranque algo mayor o menor par de rotor bloqueado. El diseño B, es considerado como estándar para motores de servicio general. Ambos tienen deslizamiento inferior al 5% de su velocidad sincrónica. El motor del diseño B tiene baja corriente de arranque, mientras que para el diseño de A es considerada como normal. NEMA- DISEÑO C. Motores considerados como de alto par de arranque y par normal a rotor bloqueado de bajo deslizamiento y de baja corriente de arranque. NEMA DISEÑO D. Estos motores tienen muy alto par de arranque, sin prácticamente para motor bloqueado, pues que su par de arranque es el máximo par que puede desarrollar. De baja corriente de arranque pero con un alto deslizamiento, entre el 5% y el 13% dependiendo de su aplicación.
NEMA DISEÑO F. Define a un motor con bajo par de arranque, baja corriente de arranque, bajo par rotor bloqueado y bajo deslizamiento. Este diseño de otro representa los más bajos requerimientos de NEMA para rotor bloqueado: su campo de aplicación es limitado. •
Arranque de motores a pleno voltaje
Existen cuatro inconvenientes básicos para arrancar motores a pleno voltaje y son: 1. Incapacidad de las bobinas para resistir los esfuerzos durante el arranque. 2. El equipo impulsado puede no ser capaz de soportar el choque del par de torsión generado por un arranque a pleno voltaje . 3. Los kilos volts ampere de la corriente de arranque puede exceder los valores límites. 4. Los equipos adyacentes pueden sufrir la consecuencia de las caídas de tensión en la línea originales por un arranque a pleno voltaje. La mayoría de los fabricantes diseñan de tal manera que pueden soportar arranques a pleno voltaje: el punto 1asi, puede ser ignorado. El punto 2 puede ser corregido usando métodos especiales de arranque. El punto 3 normalmente se refiere a motores mayores de 10 y hasta 100 caballos, o a grupos de motores chicos que arrancan simultáneamente. Para corregir esta situación los fabricantes diseñan motores y anotan en las placas de características de los motores una letra conocida como clave para determinar los KVA a rotor bloqueado por HP. La designación de la letra KVA por HP a rotor bloqueado, corresponde atención y frecuencias nominales. El punto 4 concierne no solamente al arranque del motor en sí, si no a su operación bajo condiciones de carga variable, ya que cada caída de tensión de 2% a 3% hace parpadear las luces. Un 10% de caída pueden apagar las lámparas fluorescentes del mismo circuito y una caída del 15% al 25% pueden hacer que resulten los contactos magnéticos de relevadores y arrancadores de otros motores en el mismo circuito: por esto se recomienda la instalación correcta de acuerdo con las letras claves que vienen marcadas en cada motor ver tabla No 1.
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Factor de servicio
Este es un multiplicador mostrado en la placa de características generales del motor. La potencia nominal de la placa del motor multiplicada por el factor de servicios es una indicación que nos dice que la carga total que un motor puede soportar sin daño cuando opera a su temperatura normal y sin ventilación restringida, a su tensión y frecuencia nominales. Cuando los motores se instalan a altitudes mayores a 1000m, sobre el nivel del mar pero menor a 4000 mil m., el factor de servicio puede ser usado para compensar la altitud cuando la carga sea igual ala nominal o menor que esta. • Temperaturas
de operaciones
Las condiciones sobre temperaturas de operaciones son bastantes complejas, la tabla No 2 muestra las elevaciones de temperatura permisibles en motores bajo condiciones normales de operación y sin factor de servicio. Debemos de tomar en cuenta que alta temperatura de trabajo en un motor a corta considerablemente su vida, ya que a mayor temperatura, el barniz aislante que cubre los conductores devanado, se endurece y envejece prematuramente. Una temperatura de trabajo extremadamente alta origina por un exceso de corriente en el motor, puede derretir el barniz aislante, ocasionando un corto circuito en el devanado del motor. •
Temperatura total permisible.
La temperatura total permisible de las clases de aislamiento antes mencionados son las siguientes: CLASE DE AISLAMIENTO
TEMPERATURA TOTAL PERMISIBLE
A B F H
105 0C 1300C 1550C 1800C
La temperatura total permisible es la suma de las temperaturas, ambiente en el cual el motor trabaja, más la genera por el motor. •
Comportamiento mecánico del motor eléctrico.
Referente a su comportamiento mecánico, los motores eléctricos pueden ser obtenidos en muchas y muy variadas presentaciones con relación a su coraza o armazón soporte y su sistema de enfriamiento. La coraza protege las partes vitales del motor, tales como valeros y devanados contra los agentes extraños a los mismos. Hay finalidad de tipos de protección mecánica para los motores eléctricos pero los más usuales se condensan en tres tipos básicos que son los más comerciales y son los siguientes:
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Motores a prueba de goteo.
Motor abierto protegido aprueba de goteo tienen aberturas de ventilación en tal forma que las gotas de un líquido o partículas que caigan sobre el motor a un ángulo no mayor de 15% respecto a la vertical no pueden penetrar a este. •
Motor eléctrico totalmente cerrado.
Los motores totalmente cerrados estas específicamente diseñados para proveer la protección adicional requerida en aplicaciones de gases destructivos, vapores, polvo metálico, emanaciones de ácido, humedad excesiva o sustancias perjudiciales, hace inaplicable el uso de motores tipo abierto •
Motor electrico a prueba de explosión.
Los motores aprueba de explosión están diseñados para reducir al mínimo el peligro de cualquier explosión externa. Calor o flama que pueden inflamar los gases circundantes. los motores a prueba de explosión son adecuados en localidades existen las siguientes condiciones. • CLASE 1 grupo D Gases inflamables o vapores tales como: vapores de gasolina, piroxilina, latas, etc., excepto acetileno, hidrogeno o éter los cuales se consideran más peligrosos. • CLASE 2 Grupo E Polvos metálicos combustibles, incluyendo aluminio, magnesio y sus aleaciones comerciales. • CLASE 2 Grupo F Polvos combustibles no metálicos conductores de electricidad, tales como el carbón de piedra pulverizado, negro de humo, polvo de coke, etc. • CLASE 2 Grupo G Polvos combustibles no metálicos conductores de electricidad producidos en el manejo de granos, de azúcar pulverizada, cocoa, paja de heno, etc. • Accesorios para motores eléctricos. Existen una gran variedad de accesorios para los motores verticales y horizontales, cuando tiene aplicaciones especiales. Como por ejemplo de lo anterior tenemos las resistencias calefactoras que son recomendadas para motores instalados en locales donde existe riesgo de condensación en el devanado del motor cuando no está operando. El objeto de dichas resistencias calefactores es de mantener el devanado a la temperatura normal de trabajo con el fin de evitar condensaciones que pudieran dañarlo.
A continuación se muestra una tabla en la que se especifica la potencia en watts recomendada para este tipo de resistencias: ARMAZON Watts Nominales •
182T-215T 50
254T-365T 100
404T-405T 150
444T-445T 200
ARMAZONES DE ACUERDO ALAS NORMAS NEMA
Las normas NEMA tienen cambios esporádicos por lo que estos valores pueden variar. El voltaje de operaciones para estas resistencias calefactoras pueden ser 115, 230 o 440 volts. Trinquetes de no retroceso y baleros de motor vertical. trinquetes de no retroceso. Los motores eléctricos verticales para las bombas, traen en la parte superior un trinquete de no retroceso para evitar que cuando el equipo deje de funcionar, la bomba gire en sentido contrario al normal y sufra defectos. Existen varios tipos de trinquetes de no retroceso. Los más usuales son pernos y los de bola, en ambos casos, se utiliza la fuerza centrífuga destrabar los pernos o las esferas girando el motor en el sentido correcto. Al parar el motor los pernos o las esferas caen por gravedad y traban el plato giratorio del motor en un dispositivo especial fijo. Rodamientos (baleros). Los motores verticales normalmente tienen dos baleros, uno en la parte inferior dirigido de una hilera las bolas absorbe esfuerzo radiales axiales soportando momentáneamente el “esfuerzo hacia arriba” de la bomba de arrancar y el otro en la parte superior de una hilera de bolas con contacto angular. Este tipo de balero tiene dispuesta una pista de rodamientos de forma que la presión ejercida por bolas. Se dirija en un ángulo con respecto al eje. Consecuentemente, absorbe una gran carga axial. Sin embargo, la capacidad está limitada. Cuando por necesidades del equipo el motor debe absorber una carga axial mayor, se puede solicitar al fabricante del motor que construya este con doble balero axial, con lo que aumenta al doble de la capacidad de carga. Cuando se excede la capacidad de carga de un balero, se acorta considerablemente su vida útil, por lo que es muy importante que la carga axial aplicada sea igual o inferior a la carga axial que soporta el balero. La lubricación de lo valeros se efectúa con grasa o con aceite dependiendo del diseño del motor. 6.2.3. INSTALACIONES DE MAQUINAS Y DETALLES COMPLEMENTARIAS. El soporte o apoyo de las bombas deberá ser dirigido, con el fin de garantizar un mejor funcionamiento de ellas. Cuando se trata de bombas verticales el cabezal de descargue bajo o sobre la superficie, generalmente se apoya sobre perfiles laminados de acero estructural, aun cuando estructuralmente pueden ser suficientes dos viguetas paralelas.
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Accesorios
Boquillas. De alta tensión y baja tensión, dichos elementos son fabricados de porcelana y tienen mordazas de conexión. En caso de la alta tensión constante de un elemento, que se le llama cuerno de arqueo, el cual permite en caso de saturaciones, producto de un campo eléctrico, descargar los elementos de conexión ya que este estará sólidamente conectado a tierra. Placa de datos. En ella se anota las características fundamentales de construcción del transformador y que son las siguientes: Marca, tipo de enfriamiento, capacidad, tensión de operación, frecuencia, derivaciones, conexiones, sobre elevación de temperatura, impedancia, peso de conjunto interior (núcleo y bobinas), litros de refrigerante, peso de tanque, peso total, número de serie, nivel básico, de impulsor, flecha de fabricación, operación del cambiador, de derivaciones. • Descarga.
La descarga es el conjunto de elementos seleccionar, controlar el agua para su distribución.
que sirven para regular,
Elementos que componen una descarga y su función: Válvula de admisión y explosión de aire: esta válvula es la encargada de evacuar el aire de columna cuando se pone a funcionar la bomba y admite aire cuando la bomba para el tamaño de la válvula está de acuerdo al volumen de aire a desalojar o admitir. • Elementos de control y proteccion en la conexión de bombas En las descargas largas, ya se trate de una sola unidad de bombear o de varias unidades conectadas a una tubería común, casi siempre es necesario el empleo de ciertos elementos cuyo objetivo es, la de algunos controlar la descarga de las bombas y las de otros proteger las tuberías y el equipo de bombeo general principalmente el fenómeno llamado “golpe de ariete”. A continuación se comentara en forma somera la función de los elementos de control y protección que se usan con mayor frecuencia en las plantas de bombeo. Juntas flexibles. Son recomendadas para absorber algunos movimientos ocasionados por el trabajo de la bomba así como pequeños desalineamientos durante el montaje del conjunto: también se aprovechan para desconectar con facilidad la unidad de bombeo cuando se requiera. Generalmente se emplean las juntas Dresser y/o gibault o algún otro elemento similar. Válvulas eliminadoras de aire. Algunas se instalan con el objeto de expulsar al aire retenido en la succión cuando la bomba no trabaja. Esta expulsión se efectúa luego de iniciarse la operación de la bomba se ubican inmediatamente a la descarga de la bomba generalmente después de una junta flexible. Uno de los tipos más usados, a la cual puede acoplarse a una válvula check con objeto de amortiguador el golpe del agua para prolongar su vida útil y evitar ruidos desagradables. La instalación de este check es optativa pero hay recomendable. El diámetro y características de esta válvula se eligen principalmente en función del gasto de la
bomba y de la presión de la tubería. Se selecciona consultando los catálogos de los proveedores de estos dispositivos. También se instalan válvulas de aire a lo largo de la tubería se descarga muy larga y cuando son relativamente cortas pero con quiebres bruscos. Este último, no obstante siempre se trata de evitar en ocasiones es necesario debido a las condiciones topográficas del terreno por donde pasara la tubería. La ubicación de estas válvulas y sus características también se pueden determinar consultando catálogos de los proveedores y efectuando además un estudio del perfil del eje de la tubería. Válvula de retención. Se usa con el objeto de retener la masa de agua que se encuentra en la tubería cuando la bomba suspende su operación con el fin de evitar esfuerzos excesivos en las bombas, debido al fenómeno del golpe de ariete. Esto no quiere decir que estas válvulas eliminan el efecto de este fenómeno, si no que únicamente lo atenúan. Existen varios tipos en el mercado pudiéndose observar alguno de ellos. La primera representa la válvula check tradicionalmente y comúnmente empleada, llamada columpio. La segunda se denomina Duo-check y consta esencialmente de dos medias lunas conectadas a un eje vertical que se abre y se cierra según el sentido del escurrimiento. La tercera se trata de una válvula check cuya característica es efectuar un cierre más o menos lento con la cual se consigue prolongar la vida de la válvula y casi eliminar el ruido que producen los otros tipos. Esto último es ventajoso para cierto caso dado la ubicación de la obra, suele llamársele check silenciosa. La selección del tipo de chek para una determina instalación, dependerá del diámetro de la válvula a emplear, de las presiones a que operara y de sus costos en el mercado. En varios proyectos el tiempo de entrega que ofrecen los proveedores puede ser determinante para el tipo elegido. Válvula compuerta. La válvula de compuerta se emplea con el objeto de aislar en un momento dado, algún elemento o selección de la instalación para poder efectuar una reparación, inspección o dar mantenimiento sin que se interrumpa totalmente el servicio de bombeo. Cambies se evita con esta válvula, el regreso del agua por alguna bomba que no esté operando debido a la operación parcial del equipo. Válvula contra golpe de ariete. Es el dispositivo de seguridad para evitar el golpe de ariete. Su tamaño y calibración estarán a base de cálculo de las condiciones que imperan en el sistema.
ANÁLISIS CRÍTICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES En las bombas centrífugas la energía se comunica al líquido por medio de álabes en movimiento de rotación, a diferencia de las bombas de desplazamiento volumétrico o positivo, de las rotativas (de engranajes, tornillos, lóbulos, levas, etc.) y alternativas de pistón, de vapor de acción directa o mecánicas. Las ventajas principales de las bombas centrífugas son: • Caudal constante • presión uniforme • sencillez de construcción • tamaño reducido • bajo mantenimiento • flexibilidad de regulación Uno de sus pocos inconvenientes es la necesidad de cebado previo al funcionamiento, ya que las bombas centrífugas, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son autoaspirantes. Los principales tipos de bombas centrífugas son: 1) Radiales, axiales y diagonales. 2) De impulsor abierto, semiabierto y cerrado 3) Horizontales y verticales. Las bombas con eje de giro en posición vertical tienen, casi siempre, el motor a un nivel superior al de la bomba, por lo que es posible, al contrario que en las horizontales, que la bomba trabaje rodeada por el líquido a bombear, estando, sin embargo, el motor por encima de éste. Bombas verticales de funcionamiento en seco. En las bombas verticales no sumergidas, el motor puede estar inmediatamente sobre la bomba, o muy por encima de ésta. El elevarlo responde a la necesidad de protegerlo de una posible inundación o para hacerlo más accesible si, por ejemplo, la bomba trabaja en un pozo. El eje alargado puede ser rígido o flexible por medio de juntas universales, lo que simplifica el siempre difícil problema del alineamiento. Se emplean muy a menudo las mismas bombas horizontales modificadas únicamente en sus cojinetes. La aspiración es lateral, (horizontal); en las bombas grandes, frecuentemente, es por abajo, aunque a veces se transforma en lateral mediante un simple codo. La ventaja de las bombas verticales, es que requieren muy poco espacio horizontal que las hace insustituibles en barcos, pozos, etc.; sin embargo se necesita un espacio vertical superior suficiente para permitir su cómodo montaje y desmontaje.
Para bombas de gran caudal, la construcción vertical resulta en general más barata que la horizontal. Las bombas verticales se emplean normalmente en aplicaciones marinas, para aguas sucias, drenajes, irrigación, circulación de condensadores, etc. Bombas verticales sumergidas. El funcionamiento sumergido de las bombas centrífugas elimina el inconveniente del cebado, por lo que el impulsor se halla continuamente, aún parado rodeado por el líquido a impulsar y, por lo tanto, la bomba está en disposición de funcionar en cualquier momento. El control de la unidad requiere únicamente la puesta en marcha del motor de accionamiento, sin necesidad de dispositivos adicionales de cebado previo. La aspiración, que es siempre por abajo, se hace a una cierta profundidad con respecto al nivel libre del líquido. Si esta profundidad es menor de lo debido, 2 ó 3 veces el diámetro del orificio de aspiración, se pueden crear en la superficie vórtices o remolinos por cuyo centro se introduce aire en la bomba, con la consiguiente pérdida de caudal y deficiente funcionamiento. El eje del que van provistas estas bombas, va guiado normalmente por cojinetes de fricción separados a intervalos regulares (de 1,5 a 3 metros) y lubricados por aceite, grasa, o el mismo líquido bombeado; en este último caso, el eje se suele disponer en el interior de la tubería de impulsión vertical, cerca del motor, en que ésta se desvía horizontalmente mediante un codo adecuado. En los casos de lubricación por grasa o aceite, el eje va dentro de un tubo portador de los cojinetes, siendo este conjunto, a su vez, exterior o interior a la tubería de impulsión. La otra solución tiene la ventaja de requerir un menor espacio, siendo en ambos casos innecesaria la empaquetadura, lo que constituye también una circunstancia muy favorable, dados los inconvenientes que ésta lleva a veces consigo. Las bombas sumergidas tienen la ventaja de ocupar un espacio horizontal mínimo, sólo el necesario para acomodar el motor vertical y la impulsión, siendo incluso ésta a veces subterránea. Las ventajas hidráulicas son evidentes al desaparecer todos los problemas de aspiración que constituyen el principal inconveniente en el funcionamiento de las bombas centrífugas. Desde un punto de vista mecánico, esta disposición presenta grandes inconvenientes con respecto a la horizontal. Las bombas son inicialmente más caras y su mantenimiento mucho más elevado, ya que cualquier reparación exige el desmontaje de la bomba para izarla a la superficie.
CONCLUSIONES En la elaboración de éste trabajo se tomaron en cuenta los principios fundamentales de la hidráulica, además la importancia de aplicarlos correctamente para obtener como resultado un sistema que trabaje en óptimas condiciones optimizando los costos de energía eléctrica, mantenimiento, mayor vida y de esta forma sea viable la inversión inicial para llevar a cabo éste proyecto. Se deben conocer las características del fluido, el lugar donde se instalará el equipo de bombeo, la posición de la línea de conducción; para así determinar el caudal y la carga dinámica total, la potencia de la bomba y la potencia del motor. En éste proyecto se aplicaron los principios de la hidráulica conservación de la materia, por medio de la ecuación de continuidad, que sirve para determinar el caudal y la velocidad, o el diámetro en la succión y en la descarga; principio de conservación de energía, utilizando la ecuación de Bernoulli, para encontrar la carga dinámica total de la bomba, que es la energía que tiene que dar al fluido para transportar la fuente al lugar que se requiera. Respecto a las bombas, existen una gran variedad y tamaños que existen en el mercado, para los diferentes sectores de aplicación y condiciones de operación. En las curvas de operación de las bombas, es primordial que el caudal esté en la zona de mayor eficiencia, para que sea menor el consumo de energía eléctrica así como la capacidad del motor eléctrico, arrancador y calibre de los conductores de electricidad. Se logró el objetivo de obtener un conjunto bomba y motor eléctrico óptimo, en donde la bomba cumple con el requerimiento principalmente del gasto, con una eficiencia y potencia eléctrica aceptable, las cuales, no se exceden en demasía con respecto a su consumo. Se considera para dicho análisis la carga dinámica total, en donde se proponen accesorios que permiten un desplazamiento del líquido sin sufrir grandes pérdidas energéticas, haciendo más eficiente el sistema.
BIBLIOGRAFIA Manual de Bombas. Diseño, aplicación, especificaciones, operación y mantenimiento. IGOR J. KARASSIK. WILLIAM C. KRUTZSCH WARREN H. FRASER. McGraw Hill México 2002 Bombas. Selección y Aplicación. TYLER G. HICKS. CECSA 2000 Mecánica de Fluidos IRVING SHAMES McGraw Hill México 2003 Catalogo Instalación Operación y Mantenimiento BYRON JACKSON RBMX 2000
ANEXOS
MANUAL DEL USUARIO INSTALACIÓN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
BOMBA TURBINA VERTICAL
