diseÑo de estacion de bombeo final.pdf

DISEO DE ESTACION DE BOMBEO UNSCH

1

FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS,

GEOLOGA Y CIVIL

ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL DE

INGENIERA DE MINAS

AYACUCHO PER

2014

U

N

S

C

H

DISEO DE ESTACION DE BOMBEO

- PROFESOR : Ing. QUISPE RODRIGUEZ, Indalecio.

- CURSO : DISEO Y CONSTRUCCIONES MINERAS

- SIGLA : (MI-540 )

- SERIE : 500 - II

- INTEGRANTE :

CABRERA HUAMAN, Marisa.

CHACCHI HURTADO, Richard.

CONDE OMONTE, Clebert.

HUAYTA QUISPE, Carlos.

PILLACA QUISPE, Heber.

DISEO DE ESTACION DE BOMBEO UNSCH

2

Contenido INTRODUCCIN ..................................................................................................................... 2

OBJETIVOS .............................................................................................................................. 3

DISEO DE ESTACION DE BOMBEO ....................................................................................... 4

1. DISEO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA ESTACIN DE BOMBEO .................................. 4

1.1. DISEO DE LA PLATAFORMA PARA LA COLOCACIN DE LA BOMBA ................. 4

1.2. DETALLES DE LA BOMBA Y SU COLOCACIN EN LA POZA ................................... 5

1.3. DETALLES DE LA POZA DE SEDIMENTACIN ........................................................... 6

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

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

2. DISEO DE LA ESTACIN DE BOMBEO ...................................................................... 10

2.1. SELECCIN Y CLCULO DE LAS TUBERAS ............................................................. 10

2.2. SELECCIN Y CLCULO DE LA BOMBA .................................................................. 19

CONCLUSIONES ................................................................................................................... 21

RECOMENDACIONES ............................................................................................................ 22

BIBLIOGRAFA ....................................................................................................................... 23

ANEXOS .............................................................................................................................. 24

INTRODUCCIN


DISEO Y CONSTRUCCIONES MINERAS

En el presente informe se detallan los trabajos realizados para el diseo y

construccin de pozas de bombeo en minas subterrneas. Para lo cual primero se

detallarn los trabajos de construccin de las pozas de Sedimentacin y Bombeo.

Y luego el diseo terico de las tuberas y bomba adecuada que permita realizar

un esquema de bombeo adeacuado para los requerimientos que se pide.

OBJETIVOS Disear el proceso constructivo de una poza de bombeo en minas subterrneas.

Realizar los clculos de tuberas y bombas adecuadas para el diseo de un sistema de

bombeo en minas subterrneas.

Mostrar los fundamentos tericos y tcnicos para el diseo y construccin de pozas de

bombeo en minas subterrneas.




Disear la poza de estacion de bombeo sobre roca para almacenar agua en el Nv 4150 de dode

se bombeara al Nv 4250 mediante las bombas electricas, la cantidad de agua a almacenarce es

150 m3 durante la guardia de 8 horas, el agua sera abastecida mediante la cuneta y tendra

material arcilloso en suspension, el chupon de succion sera positiva, indicar el proceso constructivo y

las instalaciones necesarias.

1. DISEO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA ESTACIN DE BOMBEO

Primero se disearn las estructuras propias de una Estacin de Bombeo en interior mina, para lo cual se mostrar a continuacin todos los componentes de esta. 1.1. DISEO DE LA PLATAFORMA PARA LA COLOCACIN DE LA BOMBA

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



1.2. DETALLES DE LA BOMBA Y SU COLOCACIN EN LA POZA En la siguiente figura mostramos los detalles de la Bomba y sus accesorios, adems de su colocacin sobre la parrilla metlica. La primera imagen muestra el detalle de la Bomba en Perfil y la siguiente muestra la vista en Planta.



1.3. DETALLES DE LA POZA DE SEDIMENTACIN

La camara de sedimentacin se construye paralela a la poza de bombeo, en esta cmara se recibe el agua primero para poder sedimentarla y luego por reboce pase a la cmara de bombeo. Para este fn la poza de sedimentacin es ms profunda que la poza de bombeo, en este caso 0.90 m ms profunda. A continuacin mostramos el detalle de la cmara de sedimentacin.

VISTA EN PERFIL DE LA CMARA DE SEDIMENTACIN



1.4. DETALLES DE LA POZA DE BOMBEO La Cmara de Bombeo, como se mencion anteriormente se construye paralela a la poza de sedimentacin y recive el agua por reboce para posteriormente bombearla a la zona donde se requiere. Adems la Cmara de Bombeo debe tener las dimensiones adecuadas para almacenar 150 m3 de agua para bombeo. A continuacin mostramos los detalles de la poza de bombeo adecuado para almacenar 150 m3.

VISTA EN PERFIL DE LA CMARA DE BOMBEO

VISTA FRONTAL DE LAS CMARAS



VISTA EN PLANTA DE LAS POZAS

1.5. ESQUEMA DEL SISTEMA DE BOMBEO



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



2. DISEO DE LA ESTACIN DE BOMBEO 2.1. SELECCIN Y CLCULO DE LAS TUBERAS

Primero selecccinamo las cantidades de los componenetes del circuito de tuberas a utilizar en para transportar el agua entre los diferentes niveles. a. Tubera de aspiracin

Longitud : 3.1 metros

Vlvula a pie con filtro : 1 unid

Codos a 90 : 1 unid

Reduccion exntrica : 1 unid

. Vlvula de globo : 1 unid

b. Tubera de impulsin

Longitud : 122.5 metros

Vlvula de retencin : 1 unid

Vlvula de compuerta : 1 unid

Codos a 90 : 5 unid

Una vez definido los datos de partidas, se procede a calcular la instalacin de bombeo, esto es, a decidir el tipo y modelo de bomba y los dimetros y tipos de tuberas para la conduccin del agua. 2.1.1. Clculo de los dimetros de las tuberas

La expresin que relaciona el dimetro interior de la tubera con el caudal que la atraviesa es la siguiente:

v =

354Q

D2

Siendo: v, la velocidad del agua, en m/s; D, es el dimetro interior de la tubera, en mm; Q, es el caudal de agua que circula por la tubera, en m3/h. Esta expresin permite despejar el dimetro (D) en funcin de la velocidad del agua (v) y el caudal de suministro (Q). a. Dimetro de la tubera de aspiracin

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



m3/h requerido a la expresin resulta el siguiente dimetro mnimo que se muestra en la siguiente tabla:

Velocidad (m/s) Caudal (m3/h) Dimetro (mm)

1,8 18.75 60.73

Del catlogo de conductos de polietileno (HDPE anexo tabla 1) para suministro de agua a presin se elige para la tubera de aspiracin la siguiente:

Dimetro nominal (DN) : 63 mm

Tipo : PE 100 (PN 20 bar.)

Espesor de pared del tubo : 7.1 mm

Dimetro libre interior : 48.8 mm Una vez definido el dimetro de la tubera de aspiracin se recalcula la velocidad para obtener la real del agua y comprobar que se mantiene dentro del rango recomendado:

v =

354Q

D2

Reemplazando con los siguientes datos: D, es el dimetro interior de la tubera: 48.8 mm Q, es el caudal de agua que circula por la tubera: 18.75 m3/h Obtenemos:

Dimetro (mm) Caudal (m3/h) Velocidad (m/s)

48.8 18.75 2.78

Diseo no conforme para la tubera de aspiracin porque no cumple con el rango de velocidad que es de 1.8 m/s entonces elegimos otro diametro:

Dimetro nominal (DN) : 90 mm

Tipo : PE 100 (PN 20 bar.)

Espesor de pared del tubo: 10.1 mm

Dimetro libre interior : 69.8 mm Reemplazando en la frmula anterior resulta:


69.8 18.75 1.36

Este si resulta como un diseo conforme para la tubera de aspiracin.



b. Dimetro de la tubera de impulsin Para las tuberas de impulsin se recomienda que la velocidad del agua debera situarse en torno a los 2,5 m/s. Aplicando este valor y el caudal de 18.75 m3/h, el dimetro mnimo resultante se muestra en la siguiente tabla:

Velocidad (m/s) Caudal (m3/h) Dimetro (mm)

2,5 18.75 51.53

Del catlogo anterior de conductos de polietileno (HDPE anexo tabla 1 ) para suministro de agua a presin se elige para la tubera de impulsin la siguiente:

Dimetro nominal (DN) : 75 mm Tipo : PE 80 (PN 20 bar.) Espesor de pared del tubo : 8.4 mm Dimetro libre interior : 58.2 mm

Una vez definido el dimetro de la tubera para la impulsin se recalcula la velocidad real del agua, para comprobar que se mantiene dentro del rango recomendado:

v =

354Q

D2

Reemplazando en la frmula los siguientes datos: D, es el dimetro interior de la tubera : 58.2 mm Q, es el caudal de agua que circula por la tubera : 18.75 m3/h; Obtenemos:


58.2 18.75 1.96

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

2.1.2. Clculo de la altura manomtrica



La altura manomtrica (Hd) total se compone de la suma de los siguientes trminos:

Hd= Hg + Pc + 10

Pi - Pa

Donde: Hg : representa a la altura geomtrica que debe vencer el fluido, en metros

Pc = Hp + HL : es la prdida de carga del fluido a su paso por las tuberas, vlvulas, etc. y expresado en metros.

Hp : perdida de carga por friccion HL : perdidad de carga por accesorio

Pi - Pa / : este trmino representa la presin diferencial existente entre las superficies del lquido en la impulsin y la aspiracin de la bomba, devidido por su peso especfico. El resultado se expresa en metros. En este caso, al tratarse tanto el pozo donde se realiza la aspiracin como el depsito final de impulsin de espacios abiertos a la atmsfera, resulta que las presiones de aspiracin e impulsin en la superficie del lquido sern iguales (Pa = Pi) y por lo tanto esta componente resultar cero (Pa - Pi = 0) y no deber ser tenida en cuenta.

Por lo tanto, para calcular la altura manomtrica que debe proporcionar la bomba, habr que calcular la altura geomtrica que debe salvar el fluido en su recorrido y sumarle la prdida de carga por rozamiento producida en la instalacin. Se calcular en los tramos de aspiracin e impulsin por separado y a continuacin se sumarn para obtener la altura manomtrica total. a. Tubera de aspiracin

Hallaremos las prdidas que se producen como resultado de la Friccin y del los accesorios. Perdida de carga por friccin Debemos de calcular la perdida de carga por friccion en todo el tramo de la tuberia. La longitud de la tuberia desde la entrada de succion hasta boca de la bomba es de 3.1 metros. Datos: Caudal de flujo (Q) : 0.005208 m3/s Longitud de tuberia (L) : 3.1 metros Velocidad de flujo (V) : 1.36 m/s Diametro interno de la tuberia (D) : 69.8 mm = 0.0698 m Calculamos el numero de Reynolds para deducir con que tipo de flujo estamos trabajando:



Como el RE > 4000 estamos en flujo turbulento. Calculamos el factor de friccion con la ecuacion de COLEBROOK Y WHITE.

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

Reemplazando:

Perdidas de carga por accesorios Por cambio de direccion de flujo: codo 90 : k =0.90 Vlvula a pie con filtro : k = 0.8 Reduccion exntrica : k= 0 . Vlvula de globo : k= 10 En resumen las perdidas de carga por accesorios son:

Accesorios Cantidad k Total

codo 90 1 0.90 0.90

Vlvula a pie con filtro 1 0.80 0.80

Reduccion exntrica 1 0 0

Vlvula de globo 1 10 10

Sumatoria k 11.7



Para calcular las perdidas por accesorios utilizaremos el teorema de BORDE-BELANGER.

Reemplazando:

Altura dinmica de bombeo o altura manomtrica:

Hd = Hg + Hp +HL Reemplazando tenemos:

Hd =0.8 + 0.077 + 1.10 = 1.977 m.

b. Tubera de impulsin Hallaremos las prdidas que se producen como resultado de la friccin y del los accesorios. Prdida de carga por friccin Debemos de calcular la perdida de carga por friccion en todo el tramo de la tuberia. La longitud de la tuberia desde la salida de la bomba esta el punto de descarga es de 122.5 metros. Datos: Caudal de flujo (Q) : 0.005208 m3/s Longitud de tuberia (L) : 122.5metros Velocidad de flujo (V) : 1.96 m/s Diametro interno de la tuberia (D) : 58.2 mm = 0.0582 m Calculamos el numero de Reynolds para deducir de con que tipo de flujo estamos trabajando:

Como el RE > 4000 estamos en flujo turbulento. Calculamos el factor de friccion con la ecuacion de COLEBROOK Y WHITE.



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

Reemplazando:

Perdidas de carga por accesorios

Por uniones de tramos de tuberas: Las tuberas de polietileno nos venden en

tramos de 9 metros, los cuales tenemos que unirlas por termofusin. Para nuestro

caso para los 122.5 metros de tuberas, debemos de realizar 14 uniones, cuyo

factor de perdida se considera para su clculo: K= 0.04

Por cambio de direccin de flujo: codo 90 : k =0.90

Por vlvula de retencin (check) : k= 2.5

Vlvula compuerta : k=0.2

En resumen las perdidas de carga por accesorios son:

Accesorios Cantidad k Total

Uniones soldadas 14 0.04 0.56

Codo 90 5 0.90 4.5

Por valvula de retencion (check) 1 2.5 2.5

Valvula compuerta 1 0.2 0.2

Sumatoria k 7.76



Para calcular las perdidas por accesorios utilizaremos el teorema de BORDE-BELANGER.

Reemplazando:

Altura dinamica de bombeo:

Hd = Hg + Hp +HL Donde: Hd : altura dinamica de bombeo Hg : altura geometrica Hp : perdida de carga por friccion HL : perdidad de carga por accesorio Reemplazando:

Hd = 100 + 7.27 + 1.52 = 108.79 m.

c. En Resumen Por lo tanto, la altura geomtrica total (H) que debe proporcionar la bomba ser:

H = Haspiracin + Himpulsin = 1.977 + 108.79 = 110.767 m. En resumen, las condiciones de diseo de la bomba sern:

Condiciones de diseo para la bomba

Caudal (m3/h) Altura manomtrica (m)

18.75 110.767

2.1.3. Determinacion a la resistencia del golpe de ariete

Datos a conocer: Resistencia maxima de presion en la tuberia: 20 bares. Espesor de la tuberia (e): 8.4 mm.



Modulo de elasticidad polietileno HDPE (E): 14 x 108 N/m2 Diametro interior de la tuberia (D): 58.2 mm. Modulo del agua ( ) : 2.00 x 109 N/m2 Densidad del gua a 20 C (r): 998.27 kg/m3 Gravedad (g) : 9.81 m/s2 Longitud de la tuberia (L): 122.5 metros. Velocidad del agua en la tuberia (V): 1.96 m/s.

Diferencias de niveles H: 100 metros.

Resistencia al golpe de ariete para la linea de impulsion. Donde el coeficiente K vale 2 porque: K = 2 para L < 500 metros. Luego calculando el tiempo de disturbacion en seg. (T), por expresion MENDILUCE

Luego reemplazamos en:

para saber que expresion usaremos para calcular la sobrepresion del fenomeno del golpe de ariete.

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

Reemplazamos primero en:

Luego en:



A esta altura tenemos que agregarlo la altura dinamica total:

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

Reemplazando:

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

2.2. SELECCIN Y CLCULO DE LA BOMBA

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



2.2.1. Potencia de la Bomba

HbgpQHbgmeN

N = 0.005208 x 998.27 x 9.81 x 110.767

N = 5.649349 kw = 7.6 8 HP

2.2.2. Comprovacin de la ausencia de Cavitacin

El equipo de bombeo funcionar correctamente sin que surjan problemas de cavitacin, si se cumple que: NPSHd NPSHr + 0.5 m.

El NPSHr (requerido) de la bomba es un dato que se puede extraer del modelo seleccionado, a partir de la informacin facilitada por el fabricante en su catlogo.

El NPSHd (disponible) de la instalacin viene calculado segn la expresin siguiente:

NPSHd = (10 Pa) / - Ha - Hasp - (10 Pv) /

El emplazamiento de la bomba es en superficie sobre el terreno, a una altitud de 4150 metros sobre el nivel del mar. A esta altitud la presin atmosfrica se puede calcular como:

Pa(m) = 10,33 - Altitud(m)/900 = 10,33 - 4150/900 = 5.71 m. (0,571 kg/cm2) La altura geomtrica de aspiracin (Ha) vale 0.8 metros, segn los datos de partida. La prdida de carga originada en el tramo de la aspiracin tambin ya ha sido

calculada de valor, H aspiracion = 0.077 + 1.10=1.177 metros. Los otros parmetros de la expresin anterior que faltan toman los siguientes valores: Pv : 0,0238 kg/cm2 (presin de vapor del agua a 20C, segn la Tabla 3

"Peso especfico y tensin de vapor del agua")

: 0,9982 kg/dm3 (peso especfico del agua a 20C, segn la Tabla 3 "Peso especfico y tensin de vapor del agua")

Sustituyendo estos valores en la expresin anterior resulta un NPSH disponible de valor:

NPSHd = 3.5 m

Por lo tanto para que no exista cavitacin se tiene que elegir NPSHr menores a NPSHd, para que se cumpla:

NPSHd NPSHr + 0,5 m



CONCLUSIONES El proceso constructivo de las pozas de sedimentacin y bombeo siguen un procedimineto

que nos garatiza que las pozas cumplan con los requeriminetos pedidos. Para el diseo adecuado de las tuberas y seleccin de la bomba se utilizaron frmulas

hidrulicas de diferentes autores.



RECOMENDACIONES Se debe realizar un diseo previo y cumplir estos para garantizar una buena

construccion de las pozas de acuerdo al diseo dado. Se debe generalizar el uso de modelos matemtics especficos para el diseo de

trabajos hidrulicos en minera subterrnea.



BIBLIOGRAFA El Agua en la Mina (Antonio Pizarro Losilla) Diseos de Estacin de Bombeo de Agua Potable (Organizacin Panamericana de la

Salud) Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas (Claudio Mataix) Flujo en Tuberas (Luis Emilio Pardo)



ANEXOS

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



Tabla 2: Rugosidades absolutas en micrmetros (Libro de Comentarios al RITE de 1998)

Fig 1: Perdida de carga locales

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