estaciones de bombeo - grupo 18 - tarde

8/18/2019 Estaciones de Bombeo - Grupo 18 - Tarde

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍACIVIL

TRABAJO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO YSANEAMIENTO DE AGUAS

ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUA POTABLE

Autores: Diogo Barreto Rocha, Marcel Grandino Rodrigues, Ronal JuarezContreras y Mauricio Severo

Tutor: Fernando Herrero

Noviembre, 2014


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Sumário

1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 3

2 DESARROLLO .............................................................................................................................. 5

2.1 DEFINICIÓN .......................................................................................................................... 5

2.2 NECESIDAD DE UMA ESTACIÓN DE BOMBEO ..................................................................... 5

2.3 DIFERENTES TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO ............................................................... 7

2.4 CRITÉRIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS EB ................................................................. 14

2.4.1 CONFIABILIDAD DE SERVICIO ..................................................................................... 15

2.4.2 PLANTEO DE ALTERNATIVAS Y AVALUACIÓN ECONÓMICA. ...................................... 16

2.4.3 ADAPTABILIDAD ......................................................................................................... 18

2.4.4 VERSATILIDAD ............................................................................................................ 182.4.5 SEGURIDAD................................................................................................................. 20

2.5 UBICACIÓN ........................................................................................................................ 21

2.6 SUBSUELO.......................................................................................................................... 21

2.8 REQUERIMIENTOS AMBIENTALES ..................................................................................... 23

2.8.1 IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................................ 23

2.8.2 OBJETIVOS MEDIOAMBIENTALES ............................................................................... 24

2.9 DETERMINACIÓN DE LOS LUGARES DE BOMBEO ............................................................. 25

2.10 COMPONENTES DE UNA ESTACION DE BOMBEO ........................................................... 25

2.10.1 – COMPONENTES DE OBRAS CIVILES ....................................................................... 26

2.10.2 COMPONENTES ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS ............................................................ 30

2.10.2.1 Compuertas ........................................................................................................... 30

2.10.2.2 Bombas .................................................................................................................. 32

2.10.2.3 Válvulas ................................................................................................................. 32

2.10.2.4 Motores ................................................................................................................. 36

2.10.2.4.1 Clasificación de los motores ............................................................................... 38

2.10.2.4.2 Funcionamiento de Motores Asincrónicos ........................................................ 42

2.10.2.5 Tuberías ................................................................................................................. 43

2.11 BOMBAS E INSTALACIONES DE BOMBEO........................................................................ 47

3 CONCLUSIÕN ............................................................................................................................ 71

4 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 72

.


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1 INTRODUCCIÓN

En este trabajo hablaremos sobre estaciones de bombeo de agua potable,

que son obras públicas civiles relacionadas a distribución y abastecimiento delagua para la población. Tenemos aquí por objetivo presentar o que es, el

funcionamiento y las partes de dicha estación.

Las Estaciones de Bombeo son responsables por el bombeo del agua son

estructuras necesarias cuando no es posible el abastecimiento por gravedad.

Por eso, dispone de equipamientos hidráulicos y eléctricos que pueden hacer

con que este líquido llegue a las zonas ubicadas en diferentes altitudes.

Las estaciones de bombeo requeridas para cumplir con el manejo del

fluido deben disponer de la capacidad, seguridad y confiabilidad requeridas por

el servicio. En tal sentido, deben asegurar la transferencia del fluido, teniéndose

presente que en la mayoría de los casos la eficiencia de un proyecto depende

primordialmente del servicio de bombeo.

Las estaciones utilizan medios mecánicos y eléctricos, como motores y

bombas, que generan la energía necesaria para forzar el escurrimiento del agua

por una tubería, que conduce al consumidor final. Mediante los equipamientos

como, motores, bombas, tuberías, válvulas, piezas especiales y todo el espacio

construido, todas esas actividades son posibles. Con estés materiales

disponibles y los conocimientos correctos, en diversos ramos de ingeniería civil,

mecánica, eléctrica e hidráulica, el buen funcionamiento de la estación es

garantizado.

Presentamos en las características los conceptos básicos do que es unaestación de bombeo e hidrología aplicable a los fenómenos de distribución.

Además, es imprescindible hablar de la necesidad de una estación de bombeo,

los diferentes tipos de succión, diferentes tipos de cámaras, criterios de diseño,

confiabilidad y evaluación económica.

Las partes correspondientes a obra civiles, como canales de entrada,

pozo de bombeo y casa de bombas. Además los componentes mecánicos y


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eléctricos que son las compuertas, válvulas, piezas, dispositivos, motores, y el

principal, las bombas.

Es importante también hablar de las instalaciones de bombeo y algunos

de los conceptos aplicables para el dimensionamiento de las bombas.Deacuerdo con lo expuesto, se pretende desarrollar el tema en su conjunto, desde

la captación del agua hacia su salida de la estación.


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2 DESARROLLO

2.1 DEFINICIÓN

Una Estación de Bombeo (EB), por definición también llamada deEstación Elevadora (EE), es una instalación hidroelectromecánica utilizada para

forzar el escurrimiento de un líquido, por una tubería, para que éste llegue al

destino en las condiciones previstas en su diseño. Una instalación

hidroelectromecánica es entendida como aquella donde se conjugan los

componentes y estructura en primer lugar hidráulicas, mecánicas, eléctricas y

por ultimo las electrónicas. En general estas instalaciones están contenidas en

una obra civil y, por éste motivo, una Estación de Bombeo contiene losconocimientos de casi todas las ramas de la ingeniería.

En rigor, cuando se dice forzar el escurrimiento es decir que el líquido

recibe una determinada cantidad de energía fornecida por una bomba. A su vez,

esta bomba recibe la energía en su forma mecánica por el giro de su eje que se

alimenta desde un motor. Así, según esta energía acumulada, es posible elevar

un fluido desde un nivel energético inicial a un nivel energético mayor.

En resumen, la función de las Estaciones de Bombeo es impulsar el agua

hacia los sectores que normalmente por la línea de impulsión no les llega por

gravedad. Según la Norma Técnica de Diseño Estaciones de Bombeo de AAPP

(NTD-IA-002; V-003) las estaciones de bombeo son un conjunto de estructuras

civiles, equipos, tuberías, y accesorios, que toman el agua directa o

indirectamente de la fuente de abastecimiento y la impulsan a un reservorio de

almacenamiento. Esta norma determina que el sistema deberá contar con

dispositivos de control de paro y arranque de los equipos de bombeo, además

de válvulas aliviadoras de presión o anticipadoras de golpe de ariete para

protección de la tubería de conducción contra la sobrepresión.

2.2 NECESIDAD DE UMA ESTACIÓN DE BOMBEO

La colocación de una Estación de Bombeo en una instalación hidráulicapor su diseñador ocurre por las más variadas necesidades. Generalmente,


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podemos afirmar que casi todas las instalaciones hidráulicas, a excepción de

alguna que se alimente con agua que proviene de un rio de montaña o de la

lluvia, requieren una bomba para impulsionar el líquido con, la presión, el caudal

y velocidad deseada en proyecto. En las redes de abastecimiento de agua

potable el uso de una EB es casi obligatorio, salvo en situaciones de centros

poblados cerca de cadenas montañosas, donde los manantiales están situados

en cotas mayores.

Desde el punto de vista de la Ecuación General de Conservación de la

Energía, también conocida como Ecuación de Bernoulli, siempre que el primer

miembro de la ecuación sea menor que el segundo, será necesario el aporte

externo de energía hidráulica. Éste aporte es materializado por la instalación deuna o varias bombas e la ecuación sería:

+ +

< + +

+ ∆ [m]

Esta inecuación, es decir, esta desigualdad, con el adicional de la energía (Hb)

aportada por la bomba, se transforma en:

+ +

+ = + +

+ ∆ [m]

Entonces, partiendo de la definición anterior, es posible afirmar que en el

sitio donde se colocó la bomba, se ha insertado también una Estación de

Bombeo. Así, en este sentido, una perforación de agua también sería una EB,

visto que su función es forzar el agua de la napa a salir hacia la superficie, lo que

no sería posible por sus propios medios. Sin embargo, vamos a nos referir en

este trabajo a las instalaciones hidroelectromecánicas que están inseridas dentro

de una obra civil.


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2.3 DIFERENTES TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO

Según fuera mencionado anteriormente, casi todas las instalaciones

hidráulicas requieren una Estación de Bombeo. Aunque todos los líquidos son

posibles de bombearse, en este trabajo nos referiremos en adelante a las

instalaciones para el bombeo de agua. Especialmente, en la Ingeniería

Hidráulica y Sanitaria tenemos, según el tipo de agua a bombear, tres tipos de

Estaciones de Bombeo:

Las Estaciones de Bombeo para agua potable;

Las Estaciones de Bombeo cloacales; Las Estaciones de Bombeo pluviales;

Estas Estaciones de Bombeo tienen una característica distintiva que es la

que todas ellas presentan un recinto llamado pozo de bombeo. Es en este recinto

donde llega el agua y desde donde las bombas se alimentan para impulsarla

fuera de la instalación. Vale decir que el caudal de la/s bomba/s puede o no ser

igual al caudal afluente al pozo, en cuyo caso éste actúa como el que se llama

de recinto pulmón.

En general, se acostumbra clasificar las EB para agua potable (Ilustración 1 )

en primarias y secundarias. Las estaciones primarias son aquella que toman el

agua de alguna fuente de abastecimiento y la elevan a otro almacenamiento, a

la red directamente, al tratamiento o a una combinación de ellas. Por su vez, las

estaciones secundarias, cualifican las condiciones de una primaria

incrementando presión o gasto, pero con la alimentación de una estación

primaria.


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Ilustración 1 - Estación de bombeo para agua potable.

Las estaciones primarias pueden ser de dos tipos: estaciones de dos

cámaras y estaciones de una cámara. En las primeras, como ya dile su nombre,

se consideran dos cámaras o cárcamos, donde en uno se tendrá la entrada del

agua y un depósito que conecta la succión, y en el otro, llamado cámara seca,

se colocan los equipos de bombeo. Las estaciones de una cámara, en general,

se usan para bombas de eje vertical o sumergible y consisten de una solo

cámara donde se tiene la entrada del agua, el almacenamiento necesario y los

equipos de bombeo.

Dentro de los sistemas de bombeo de cualquiera tipología de Estación de

Bombeo se encuentran dos tipos de succión: SUCCIÓN POSITIVA y SUCCIÓN

NEGATIVA. En la succión positiva, el nivel del líquido en el depósito que se va a

bombear está por arriba de la línea de centro de la succión de la bomba. Por lo

tanto, la cabeza estática de succión deberá de tener un valor positivo así como

se puede mirar en la Ilustración 2 .


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Ilustración 2 - Sistema de bombeo de SUCCIÓN POSITIVA.

En la SUCCIÓN NEGATIVA, el nivel del líquido en el depósito que se va a

bombear está por debajo de la línea de centro de la succión de la bomba. Así, la

cabeza estática de succión deberá de tener un valor negativo, como se puede

ver en la Ilustración 3 .

Ilustración 3 - Sistema de bombeo de SUCCIÓN NEGATIVA.


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Las estaciones de bombeo cloacales se instalan en los puntos colectores

de menor cota geodésica, teniendo el objetivo de elevar el efluente cloacal hacia

la altura donde es posible efectuar su tratamiento e después descartar el fluido

hacia el cuenco o curso de agua receptor. En general estas estaciones son de

cámara húmeda, con bomba sumergida e motor acoplado directamente con eje

extendido y motor externo. En la Ilus tración 4 es posible verificar una EB para

líquidos cloacales (para aguas servidas), donde la disposición de sus elementos

es dependiente de la envergadura de la instalación, del espacio disponible e de

los requerimientos de la impulsión.

Ilustración 4 - Estación de bobeo para líquidos cloacales.

Las Estaciones de Bombeo Pluviales son aquella con la misión de efectuar

el drenaje superficial de caudales oriundos de lluvias transfiriéndolos a zonas de

mayor cota geodésica. A su vez, esta situación responde a drenaje de zonas

inundables protegidas por defensas. En general, disponen de elevados caudales

instalados y baja impulsión, donde por eso son indicados grupos de gran porte,

como mostrado en la Ilustración 5 , con potencias de accionamiento

proporcionalmente baja.


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Ilustración 5 - Estación de Bombeo para drenajes pluviales.

Además, es posible hacer una clasificación de las EB por la forma que la

bomba está dispuesta en el pozo de bombeo. En este sentido, las Estaciones de

Bombeo se clasifican en Inundadas o de Cámara Seca. Cuando las bombas

están sumergidas en el líquido a bombear son definidas las EB Inundadas, como

es posible mirar en la I lustrac ión 6 . Ya cuando las bombas están ubicadas en

una sala contigua al pozo de bombeo, la EB es dicha como de Cámara Seca.


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Ilustración 6 - Estación de Bombeo Cloacal tipo inundada.

El ambiente contiguo de una Estación de Bombeo de Cámara Seca puede

esta acostado del pozo de bombeo, o arriba de él. En el primero caso, mostrado

en la I lustración 7 , la sala de bombas debe estas aislada del pozo de bombeo

por un muro divisorio y por válvulas en la cañería de aspiración de las bombas,evitando que ante un desarme de los equipos el líquido entre en el ambiente

contiguo. En el segundo caso, los equipos necesitan de un dispositivo especial

para el cebado de las bombas, previo a su puesta en marcha.


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Ilustración 7 - Estación de Bombeo de Cámara Seca.

El comportamiento hidráulico de las ED Inundada e de Cámara Seca es

semejante. Lo que cambia entre una y otra es su costo de construcción y de

mantenimiento siendo posible establecer algunas diferencias entre ellas. La EB

Inundada requiere menos espacio en planta y menor impacto visual cuando las

electrobombas son sumergibles, pues pueden quedar por debajo del nivel de

calzada o acera. Sin embargo, la EB Inundada tiene equipos e mantenimiento

de los dichos más costosos, sean bombas verticales del tipo turbina con motor

arriba o las electrobombas sumergibles, en cuanto las EB de Cámaras Secas en

general requieren personal de menos especializado.

Aún existe una última categoría de Estación de Bombeo llamada de

Estación de Rebombeo. Esta es utilizada cuando en una línea se necesita

incremental la presión de toda el agua que llega, sin acumularla o cederla, se


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diferenciando de las demás tipologías por carecer de pozo de bombeo. Así, el

caudal impelente de las bombas debe ser igual al caudal entrante.

2.4 CRITÉRIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS EB

Un aspecto que es necesario tener en cuenta en el diseño de una EB es

considerar la facilidad en la operación de sus elementos, así como la sencillez

en las tareas de mantenimiento. Sin embargo, es muy importante destacar

algunos aspectos del entorno donde va a estar operando la EB, que pueden

modificar los criterios técnicos con que el proyectista diseñe la instalación. Por

ejemplo:

Disponibilidad de mano de obra calificada;

Disponibilidad o accesibilidad de repuestos;

Sencillez tecnológica de los componentes;

Vigilancia continua o esporádica de la EB;

Apoyatura logística para el mantenimiento.

Otro aspecto muchas veces olvidado en los proyectos es la

intercambiabilidad de partes. Esto presupone no sólo la instalación de equipos

de bombeo iguales (con sus elementos de maniobra y control), sino la posibilidad

de intercambiarse con equipos de otras EB, diseñadas obviamente para

condiciones semejantes

Las Estaciones de Bombeo requeridas por los sistemas hidráulicos para

cumplir con el manejo del fluido deben disponer la capacidad e seguridad de

servicio compatibles con los objetivos del proyecto. En este sentido, debe ser

garantida la transferencia del fluido en el momento que es requerida, teniéndose

en cuenta que la eficiencia del proyecto es dependiente del servicio de bombeo.

Por líneas generales, existen una serie de criterios a ser aplicados en el diseño

de una EB, siendo posible establecer algunas pautas tales como confiabilidad,

economía, adaptabilidad, versatilidad e seguridad.


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2.4.1 CONFIABILIDAD DE SERVICIO

Los servicios que deben cumplir las instalaciones hidráulicas están

destinados a amplios sectores de la sociedad, por ello so aporte debe sereficiente en calidad y oportuno en el momento de ser demandado. Siendo Las

EB uno de los puntos más vulnerables de la instalación hidráulica, su falla

manifestada como salida de servicio puede causar un daño muy grande no solo

a la instalación en sí misma, sino a los propios usuarios. Las inversiones puestas

en juego son de valores muy importantes, luego es necesario percibir sus

beneficios al momento que es requerido los servicios de un EB.

La confiabilidad de servicio debe ser elevada. Cada unidad de tiempo en

que la instalación no cumpla con su cometido representa una pérdida en

términos económicos que la sociedad deja de percibir. Estos conceptos deben

prevalecer en el diseño, operación y mantenimiento de estas instalaciones,

donde el suministro de agua potable, la colección de residuos cloacales y el

control de las inundaciones deben cumplir con su cometido en forma eficiente al

momento de ser requerido.

La salida de servicio de una EB de drenajes pluviales en el momento de

la máxima tormenta podría causar un daño por inundación a las viviendas

cercanas de esa cuenca, además de interrupción de otros servicios públicos

esenciales (luz, gas, teléfono, agua, etc.) e incluso riesgo de accidentes fatales.

Similarmente, un EB cloacal que deja de funcionar por una falla puede anegar

con líquidos residuales toda un área cercana a la estación, con riesgo cierto de

contaminación. En resumen, la falta de confiabilidad en el funcionamiento de una

EB desbarata todos los beneficios que el proyecto de la instalación sanitaria o

hidráulica pretendía traer a esa población, por eso, la primera consideración a

tener en cuenta en el diseño de una EB es principalmente su confiabilidad de

funcionamiento, garantizada por lo uso de equipos seleccionados que deben ser

robustos y de construcción sencilla, ajustados a los requerimientos del servicio.

A modo de complemento debe en el diseño plantear la posibilidad de

disponer un grupo electrógeno local con capacidad para abastecer una parte de

las bombas (30% aprox.) para atender en un momento de emergencia hasta

tanto sea reparada el sistema de alimentación principal. Esta disponibilidaddepende del grado de premura que requiere el sistema. Por líneas generales,


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una instalación que disponga de una información primaria de un sistema de

alerta puede disponer los equipos con cierta anticipación.

2.4.2 PLANTEO DE ALTERNATIVAS Y AVALUACIÓN ECONÓMICA.

Definidas las características del proyecto, las alternativas a ser analizadas

deben cubrir la totalidad de los esquemas que a criterio del proyectista sean

aplicables. Se deben considerar los aspectos de orden civil y electromecánico

que sean aplicables al proyecto. Así para una instalación de bombeo de agua

potable se tomarán como base el lugar de origen y destino del fluido asociado a

la curva de demanda.

Definido el caudal instalado se preverán esquemas que combinen los

tipos de cámara más apropiados con equipos de bombeo afines al servicio. Por

ejemplo, un número mínimo de dos bombas con motor exterior o sumergido.

Para servicios cloacales, las estaciones de bombeo en los puntos de colección

disponen en general de espacio reducido, siendo necesario el análisis de

disposiciones compactas con restricciones para el cumplimiento de las

relaciones geométricas mínimas indicadas por las normas de proyecto.Las secciones en planta son del tipo cuadrado o rectangular, previéndose

igual que en otros casos, un número mínimo de dos grupos de igual módulo

como instalación básica. A los efectos de controlar los caudales mínimos

afluentes es necesario considerar un grupo de menor módulo cuyo valor de

caudal se encuentra fuera del rango de aplicación de los equipos principales.

Para instalaciones hidroeléctricas, las consideraciones del bombeo parten de las

características del sistema de generación de energía, mereciendo un análisisparticular fuera del alcance de este curso e abastecimiento y saneamiento.

Si bien por lo general el costo de una Estación de Bombeo es pequeño

comparado con el costo total de la instalación, ello no quiere significar que el

mismo no deba ser considerado en el momento del diseño. La evaluación

económica de un proyecto hidráulico equipado con estaciones de bombeo debe

relacionar los beneficios esperados por la puesta en servicio de la instalación y

los costos asociados para su construcción, operación y mantenimiento durante


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su vida útil. Ambos aspectos condicionan el diseño de las instalaciones,

abarcando el número y capacidad del sistema de bombeo.

Finalmente las características generales y de detalle de estos puntos de

control del sistema se encuentran íntimamente relacionadas con los factores

económicos que dieron lugar a su concepción. Para suministro de agua potable,

los beneficios son de orden social, evaluándose la mejora que produce en la

población abastecida la disponibilidad de agua de red en reemplazo de pozos de

bombeo individuales desde la napa subterránea. Similares consideraciones

caben para la evaluación del servicio cloacal, donde la evacuación del efluente

elimina las posibilidades de contaminación de la napa al reemplazar los pozos

negros o reduce los efectos provocados por el vuelco al sistema pluvial.

Respecto del control de inundaciones las consideraciones son más

amplias. El anegamiento de una zona urbana por efecto de lluvias intensas o por

incremento del nivel de un río (caso de poblaciones importantes a la vera de los

ríos), provocan el anegamiento de las propiedades, produciendo pérdidas

importantes que pueden evaluarse económicamente. Para ello se plantea el

criterio del “daño evitado”, o sea la evaluación del efecto de una inundación en

términos económicos en relación con la cota de inundación, donde cuanto mayor

sea la cota alcanzada por el agua, en caso de colapso o falla de los elementos

de protección, mayores serán las pérdidas económicas ocasionadas.

Es de gran importancia distinguir que servicio habrá de cumplir la Estación

de Bombeo. Se el servicio es continuo, como en el caso de EB cloacales o de

agua potable, prevalece el criterio del mejor rendimiento de os equipos de

bombeo. Pero, si se trata de una EB de aguas pluviales, donde la fluencia de su

funcionamiento es muy baja (funcionan solamente cuando llueve, el criterio del

máximo rendimiento no es un atributo superior a los demás.Los estudios económicos para determinar la mejor eficiencia de las

bombas y por tanto, el menor consumo de energía de la estación deben hacerse

teniendo en cuenta el tipo de servicio que habrá de prestarse. En estaciones de

agua potable es válido tomar para el cálculo de la energía consumida 24 horas

de funcionamiento diario, durante todos los días del año. En contrapartida, para

las EB cloacales la cantidad de horas anuales de trabajo de las bombas es muy

baja, a depender de la hidrología del sitio, perdiendo importancia el quesito deuna mejor eficiencia de los equipos de bombeo.


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2.4.3 ADAPTABILIDAD

Otro aspecto también importante en el diseño de una Estación de Bombeo

es la posibilidad de su adaptación a los cambios funcionales a lo largo del tiempo.

Ello impone la necesidad de conocer cuales habrán de ser las condiciones de

funcionamiento al final de la vida útil proyecto, principalmente el caudal.

Partiendo de ese dato, es posible dimensionar un sistema modular que vaya

incorporando unidades a medida que aumente la demanda.

En este sentido, lo más apropiado es dimensionar la obra civil para la

condición extrema de máxima capacidad y los equipamientos mecánicos en

función de las necesidades próximas. A respecto de los últimos se abren dos

posibilidades:

La casa de bombas se diseña para alojar seis equipos, por ejemplo, pero

sólo se instalan cuatro, dejando vacíos los espacios restantes. Al cabo de

cierto tiempo se coloca un quinto equipo igual a los primeros e más tarde

el sexto.

La casa de bombas se diseña para alojar cuatro equipos, por ejemplo, de

capacidad Q, pero al principio se instalan bombas de inferior caudal. Alcabo de cierto tiempo se reemplazan esos equipos por los originalmente

previstos.

Este criterio es empleado a menudo haciendo coincidir la fecha del aumento

de la demanda de la capacidad de la EB con el periodo de amortización de los

equipos. Debe tenerse en cuenta asimismo que el reemplazo de equipos de

bombeo conlleva también el reemplazo de elementos de maniobra y control,

tableros y transformadores.

2.4.4 VERSATILIDAD

Esta propiedad está relacionada a la anterior por cuanto se refiere a las

posibilidades de la Estación de Bobeo de adaptarse a las condiciones variables

de funcionamiento, conforme aumente o disminuía la demanda a lo largo del día,

la semana o el mes A diferencia del criterio anterior, el cual se referia a las


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posibilidades de la EB de ir incrementando su capacidad a medida que aumenta

la demanda, la versatilidad significa poder adaptarse a los cambios de la

capacidad de bombeo en más o menos tiempo. Por ejemplo:

El bombeo de líquidos cloacales durante el periodo nocturno, el cual sueleser muy inferior al bombeo de la hora de pico.

El bombeo de agua de lluvia en una precipitación moderada, el cual a

veces es una fracción muy pequeña del caudal para el que fui diseñada

la EB.

Es estos casos y tantos otros donde la capacidad de bombeo varía

sustancialmente, una de las formas más sencillas de operar las Estaciones de

Bombeo es instalando varias bombas iguales entre sí. Así, según sea la

demanda, se pondrán en marcha o pararán una o más unidades de bombeo.

Vale decir que los sistemas de bombas múltiples tienen una mayor versatilidad

comparados a los sistemas de pocas unidades, pues el arranque progresivo

permite un escalonamiento menos pronunciado.

Miramos un ejemplo:

Se debe diseñar una EB para una capacidad de bombeo de 1800m³/h. El proyectista puede adoptar como criterio de diseño, la instalación

de 2 equipos de 900m³/h, o bien 3 de 600 m³/h o tal vez 4 de 450 m³/h.

Los casos extremos serían: una sola bomba de 1800 m3/h y por el otro

lado muchas bombas de caudal muy pequeño.

Descartando estos extremos y sin perjuicio de considerar un

incremento de costos en la obra civil a medida que crece el número de

bombas a instalar, el análisis desde el punto de vista de la versatilidad de

la estación muestra que:

La salida de servicio de una bomba en el primer caso, reduce la

capacidad de bombeo en un 50%.

En el segundo caso la capacidad de bombeo se reduce en un 33%.

En el tercer caso la capacidad de bombeo se reduce en un 25%.


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Por supuesto que la evaluación de la mejor disposición no se agota

con este análisis, ya que deberían considerarse cuestiones como los

rendimientos de los equipos, confiabilidad y costos.

2.4.5 SEGURIDAD

Este es otro aspecto que se refiere a la seguridad de funcionamiento está

muy ligado a la confiabilidad señalada en principio. Un criterio de seguridad que

el proyectista debe adoptar es el referido a la “capacidad de reserva”, esto es, la

cantidad de equipos en reserva que la EB debe poseer, a fin de garantizar que

ante la salida intempestiva o programada de un equipo haya otro en condiciones

de poder sustituirlo. Esta cantidad de equipos de reserva está en función de la

cantidad de equipos operables definidos por el proyectista y puede ser obtenida

por la Tabla 1 , una forma de determinar el número Nr de equipos de reserva que

es utilizado en la industria que trabaja con máquinas de proceso.

Tabla 1 - Cantidad de equipos reserva en función de equipos operables.

N° de Máquinas Operables (n) N° de Equipos reserva (Nr)

1 a 5 16 a 12 2

12 a 25 3

Más de 25 Consultar Fabricante

Sin embargo, atento a que las EB rara vez se diseñan con más de cinco

bombas operando, la cantidad de bombas de reserva suele ser una. Conforme

a este criterio, ninguna EB por más pequeña que sea debería tener menos de

dos bombas en su interior. Asimismo, ligando el criterio de la seguridad con el

de la versatilidad, se puede observar otra característica ventajosa de tener varias

bombas en lugar de pocas o una sola. En efecto, si usamos el ejemplo del

aparatado anterior tendríamos que el costo de equipamiento electromecánico

por disponer de una bomba de reserva se incrementaría en:

Un 50% en el primer caso


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Un 33% en el segundo caso

Un 25% en el tercer caso.

El caso más desfavorable sería el de la EB con una sola unidad operable, por

cuanto la inversión en el equipamiento electromecánico se duplica.

2.5 UBICACIÓN

La ubicación de la estación de bombeo surge a través de la combinación

entre la topografía, el relieve y los requerimientos hidráulicos. En algunas zonas,

por ejemplo, la selección del sitio es muy importante debido al coste que puede

representar dentro del proyecto.

Pero la ubicación no solo está relacionada al coste, sino a la disponibilidad

y dimensión del terreno disponible, las cotas de llegada y de impulsión del fluido.

Los costos de los terrenos pueden condicionar la rentabilidad del proyecto. Por

ello la selección de los lugares de bombeo resulta de vital importancia para el

buen desarrollo económico.

2.6 SUBSUELO

Las características de los subsuelos (Tabla 2 ) son muy importantes en

las consideraciones del proyecto las más convenientes para cumplir con los

objetivos del proyecto estarán condicionadas a las soluciones técnicas a

adoptar en su desarrollo.


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Tabla 2- Características físicas y químicas del suelo

El perfil de la obra civil requiere que se sepan las características físicas,

químicas, biológicas y mineralógicas del suelo, que son las que determinan

como haremos toda la parte estructural. Por ello, en todos los casos deberá

disponerse de este dato al momento de comenzar el proyecto.

2.7 DISPOSICIÓN DE LOS COMPONENTES

La cantidad y características de los lugares de bombeo dependen de las

características del proyecto, muchas veces económicos. Pero estas definiciones

son las primeras a tener en cuenta. En general en las instalaciones de agua

potable, no se tienen muchas alternativas para la ubicación, pues se encuentran

condicionadas al espacio, terreno, caudal, calidad y confiabilidad del proyecto.

Podemos empezar cuando se fija la cantidad de puntos de bombeo, pues

será necesario optimizar su disposición y diseño mediante los datos básicos de

necesidad. Que son:


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Los trabajos topográficos y geotécnicos que permitan hacer los primeros

diseños.

Análisis de los diseños. Se la cantidad establecida y las imposiciones

técnicas fueran cumplidas

Evaluación económica.

Por ello garantizamos una buena disposición de los componentes dentro de

una estación.

2.8 REQUERIMIENTOS AMBIENTALES

La planificación, el diseño, la construcción y la operación y mantenimiento

de una EB deben estar acompañadas del cumplimiento de todos los

requerimientos ambientales. La mayoría de estos requerimientos son dictados

por la normativa ambiental local o provincial e incluso por el propio usuario, si

éste es una empresa que tiene sus propias normas ambientales. En cualquier

caso deben tenerse en cuenta todos los aspectos técnicos (estructurales,

arquitectónicos, de seguridad,) a fin de identificar los potenciales impactos

ambientales y definir las limitaciones al diseño.

2.8.1 IMPACTO AMBIENTAL

Las EB afectan de un modo u otro la hidrología y la calidad del agua del

cuerpo receptor. Los cambios hidrológicos a menudo cambian otros parámetros

ambientales. La siguiente es una lista de los efectos adversos que la instalaciónde una EB causa sobre el medio ambiente:

• Reducción del oxígeno disuelto

• Incremento de la temperatura

• Incremento de la turbiedad y los sólidos suspendidos.

• Daño a los peces

• Cambios en la hidrología y la hidráulica• Generación de ruidos y vibraciones


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• Impacto visual y estético

• Fuga de combustibles o lubricantes

• Acumulación de residuos en rejas y contenedores

• Olores

• Derrames

2.8.2 OBJETIVOS MEDIOAMBIENTALES

Las EB pueden y deben provocar un impacto ambiental adverso

prácticamente despreciable. La mayoría de estos impactos negativos pueden

evitarse o al menos minimizarse a través de una adecuada planificación, diseño,construcción y operación. Para los que no puedan evitarse, deberán tomarse las

medidas adecuadas de su mitigación. La siguiente sería una lista de los pasos a

seguir para una adecuada planificación:

• Identifique todos los objetivos y restricciones ambientales, incluyendo

todas las reglamentaciones aplicables, tanto estatales como del cliente.

• Identifique todos los impactos ambientales, tanto los negativos como los

positivos.

• Incorpore características en el diseño, la construcción y la operación que

puedan minimizar los impactos adversos.

• Cuantifique los impactos adversos inevitables, e incorpore detalles

constructivos que lo mitiguen apropiadamente.

• Incorpore las características de mejoramiento ambiental que satisfagan

los deseos de su comitente.

Esta lista sólo pretende ser enumerativa de todos los pasos a seguir, sin tener

en cuenta la ponderación que el proyectista haga de cada uno de los aspectos

mencionados. En efecto, dependiendo de las condiciones de contorno, la


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cuantificación de los impactos es una tarea muy subjetiva que depende entre

otras cosas del tamaño de la instalación, la cercanía a centros poblados, el

perjuicio que implica su no construcción, etc.

2.9 DETERMINACIÓN DE LOS LUGARES DE BOMBEO

Tal como se expresó, la configuración y características del proyecto están

en función de los parámetros económicos utilizados durante la evaluación. La

cantidad y características de los lugares de bombeo responden de dichos

parámetros, siendo el punto de partida para el proyecto detallado de las obras.

En instalaciones de saneamiento, agua potable o efluentes cloacales, los lugares

físicos tienen en general pocas alternativas, ya que se encuentran condicionados

por la trama urbana. Las ubicaciones pueden ser en zonas de veredas o centros

de calle, con instalaciones subterráneas.

En el control de inundaciones, el criterio básico es efectuar retenciones en

la zona alta de la cuenca de aporte, mediante la creación de embalses

permanentes (depósitos de gran volumen en centros de calles, túneles, plazas,

canchas de fútbol) o transitorios (lugares de recreación, parques, etc) que

efectúen una atenuación del pico del hidrograma de aporte. Luego de superado

el evento, la descarga puede ser por gravedad, controlada mediante una sección

de escurrimiento o por bombeo de baja capacidad durante un tiempo prolongado.

2.10 COMPONENTES DE UNA ESTACION DE BOMBEO

Como una estación de bombeo es una instalación hidráulica, eléctrica,

mecánica y además una obra de construcción civil, podemos dividir sus

componentes en distintas áreas. Que son: conocimientos relacionados a la

construcción civil, o sea, hidráulicos, estructurales, funcionales y estéticos, y

componentes mecánicos y eléctricos, relacionados a parte de electromecánica.

Esta última, corresponde a los equipamientos que permiten el funcionamiento de

la estación de bombeo.


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26

2.10.1 – COMPONENTES DE OBRAS CIVILES

En este estudio de los componentes tenderemos como base la Ilustración 8 :

Ilustración 8 - Estación de Bombeo Rio Hondo

Básicamente son los siguientes componentes:

2.10.1.1 Canal de entrada

Es una estructura hidráulica por donde llega el agua al pozo de bombeo,

sin que esta sufra movimientos turbulentos que pueden provocar a la aspiración

de las bombas. En las estaciones de bombeo para agua potable, deberá

procurarse que la dirección de llegada del líquido sea perpendicular a la línea de

ubicación de las bombas. Si no es posible esto, deberán contener pantallas

deflectoras que guíen el líquido hacia cada una de las tuberías de las bombas.

Los canales de entrada deberán poseer pendientes suaves (no superiores

a 10º) tanto en dirección vertical como horizontal. Como representación tenemos

en el número 1 de la Ilustración 8 .


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27

2.10.1.2 Pozo de Bombeo

En este sitio se recibe el líquido que habrá de bombearse. A través de la

diferencia de niveles del líquido, hace con que se determine el momento de

operación de las bombas y también el momento de su finalización. Eso ocurre,

por medio de sensores de nivel, que hacen con que se percibe la necesidad de

funcionamiento del equipamiento.

Para la estación de bombeo de cámara inundada el dimensionamiento del

pozo de bombeo debe respetar algunas distancias mínimas. Según el

INSTITUTO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL, el cono de succión de

la cañería o de la bomba y el fondo, las paredes del pozo y la superficie libre del

líquido, a fin de evitar la aparición de vórtices que pudieran provocar un daño a

los equipos o al menos, una disminución de su rendimiento. En la Ilustración 9 y

la Ilustración 10 son expuestos ejemplos de dimensiones de pozos de bombeo y

las diferencias de niveles de las bombas, respectivamente.

Ilustración 9 - Ejemplo de pozo de bombeo prefabricado del Grupo PID poliéster insular diseño S.L.


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Ilustración 10 - Diferencia de niveles que desencadenan las bombas

Una de las medidas más importantes es la distancia entre el cono de succión

y el nivel de la superficie del líquido, que se especifica el fabricante de la bomba

en utilización. Una vez que el correcto funcionamiento de la bomba, sin burbujas

de aire, está relacionado a dicha medida.

El pozo puede ser circular, cuadrado o rectangular a condición de diseño para

facilitar la colocación de las piezas evitando grande velocidades y agitaciones

además de permitir el acceso para su mantenimiento y limpieza. Abajo, algunas

recomendaciones del Guía para construcción de estaciones de bombeo de agua

potable (Organización Panamericana de la Salud):

Condiciones y dirección del flujo, son medidas aconsejables la

adopción de velocidades moderadas (inferiores a 0,9m/s).

Para evitar vórtices se debe tener una profundidad mínima y reducir la

velocidad de entrada en la boca de succión. Valores hasta 0,9m/s son

aceptables. Se recomienda también instalar una ampliación en formade campana.

Dimensiones de la cisterna, 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.

• Cisterna de bombeo sin almacenamiento, que se debe emplearcuando la fuente tiene una capacidad mayor que el caudal de bombeo.


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Preservación de la calidad del agua, deberán tomarse

precauciones especiales, en el bombeo de agua tratada, para

que no haya contaminación de la misma con la entrada de

líquidos extraños a la cisterna. Es necesario que el pozo sea

cubierto y que las aguas de escorrentía, de lavado pisos o de

la salpicadura de las bombas sean impedidas de entrar.

2.10.1.3 Casa de Bombas

En este sitio está todo el equipamiento que no tienen contacto con el

líquido, por ejemplo, las bombas horizontales, los cabezales de las bombas, los

órganos de control, motores y tableros como se ver en la Ilustración 11 .

Ilustración 11 - Casas de Bombeo.

El dimensionamiento de la casa de bombas depende del tipo de bomba que

se utilizará en la estación, pero se debe considerar:


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El espacio libre entre las bombas para circulación debe ser

preferentemente un valor igual o mayor que 1,50 metros. En algunos

casos especiales como o de las bombas de escurrimiento axial, la

distancia mínima es de tres veces el diámetro de la bomba.

Todos los accesos debe estar a una cota mínima de 1,00 metro más arriba

de la cota máxima del pozo de bombeo/succión. Caso no sea posible,

deberá contener bombas de drenaje, garantizando la seguridad en caso

de accidentes.

2.10.2 COMPONENTES ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS

En general, las estaciones de bombeo poseen los mismos componentes

aunque pueden cambiar de acuerdo con la función, el tamaño y el diseño de la

estación. Podemos encontrar los siguientes componentes:

Compuertas;

Bombas; Colectores de salida y válvulas;

Motores;

Amortiguadores de vibración;

Equipos de izaje y elementos de control;

2.10.2.1 Compuertas

Las compuertas son utilizadas para cerrar el paso del agua de los canales

de ingreso al pozo de bombeo y pueden ser identificadas en la Ilustración 12 .


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Ilustración 12 - Compuertas de una Estación de Bombeo.

Las compuertas pueden ser de placas en metal o madera, pero la última

tiene un tiempo de vida útil menor debido a la pierda de su estanqueidad. El

metal que constituye las placas suele ser de fundición de hierro o de acero

dependiendo de su tamaño. Algunas de ellas reciben un recubrimiento de

pinturas anticorrosivas como se puede mirar en la Ilustración 13 . Las compuertas

de acero inoxidable también son una opción de mucha calidad pero más caras.

Ilustración 13 - Compuertas con pinturas anticorrosiva.

La instalación de estés componentes requiere guías lateralesgeneralmente embutidas en los muros, ruedas que aseguren un buen

deslizamiento con mínima fricción contra la guía y además un mecanismo de

elevación y descenso eléctrico/ mecánico o solo mecánico. Debemos nos atentar

que las compuertas están sometidas a una carga hidráulica, que depende de la

altura del agua, en los casos de componentes muy grandes las fuerzas

resultantes sobre las guías también son grandes, por ende la fricción resulta

elevada, obligando en muchos casos a poner mecanismos reductores.


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2.10.2.2 Bombas

La bomba es el componente más importante de una instalación de

estaciones de bombeo, por su gran variedad y complexidad está siendo

abordada en otro tópico.

2.10.2.3 Válvulas

Las válvulas son componentes que sirven para regulación, cierre,

aspiración y control de todo el sistema, sus funciones son las siguientes:

Válvulas en l a asp irac ión

En las estaciones de bombeo de cámara seca, estas válvulas son

instaladas para el cierre al fin de aislar la cañería de aspiración, eso se debe, en

caso de tareas de desarme de la bomba, una vez que si no existieren, el líquido

se derramaría. En la Ilustración 14 podemos mirar una válvula de esta tipología

e sus compartimientos.

Ilustración 14 - Válvula de Aspiración y sus partes

La recomendación para estas válvulas es colocar a una cierta distancia

de la succión, para que se estabilice el flujo. En general esta distancia suele ser


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al menos de cinco diámetros. Las válvulas más comúnmente utilizadas son las

esclusas, aunque últimamente se están utilizando eficazmente las válvulas tipo

mariposa. Vale decir que no necesita utilizar estas válvulas en estaciones de

bombeo de tipo inundada. Esta configuración solo tras ventajas a estaciones de

bombeo del tipo cámara seca y puede ser vista en detalle en la Ilustración 15 .

Ilustración 15 - Válvula de aspiración.

Válvula en la desc arga

Esta válvula se coloca luego a la salida de la bomba, lo más próximo

posible. Diferente de la válvula de aspiración, tiene una función de control del

funcionamiento de la bomba. De acuerdo con que este más abierta o cerrada,se puede lograr una regulación de la bomba.

Son comúnmente utilizadas las de tipo mariposa como la mostrada en la

Ilustración 16 . La válvula mariposa es muy usada en procesos para este tipo

de control de flujo y en diversas operaciones. Se llama válvula mariposa “por

su movimiento similar al de la mariposa”. Una de las características de dicha

válvula es que no tiene restricciones en cuando al fluido a controlar. Puede ser

usada para control de flujo en distintas presiones aun es más usada en flujos

de baja presión.


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Ilustración 17 - Válvulas de Retención.

Los tipos de válvulas de retención según descripción técnica de las válvulas de

retención:

Válvula de clapeta oscilante: una clapeta oscilante funciona como

obturador y cierra el paso, por gravedad, cuando el fluido circula en dirección

no deseada. (Ilustración 18 )

Válvula de pistón: un émbolo, terminado en un obturador se apoya sobre el

anillo de cierre; está alojado en un pistón cilíndrico de modo que el fluido, al

pasar en la dirección correcta, levanta el émbolo, pero al cambiar de

dirección, el émbolo asienta sobre el anillo; la forma del apoyo del émbolo

ayuda a que la presión del agua en retroceso apriete el obturador sobre el

anillo de cierre. Como la primera, requiere ser montada en posición

adecuada, pues también funciona por gravedad. (Ilustración 18 )

Válvula de retención de bola: es un tipo especial para terminales de

bombas de extracción de pozos, por ejemplo; una bola se asienta sobre el

anillo de cierre; cuando la bomba extrae agua del depósito o pozo, la bola se

levanta y se dispone en un alojamiento lateral para no estorbar el paso, pero

http://duplex-valves.com/tipos-de-valvulas.htmhttp://duplex-valves.com/tipos-de-valvulas.htm


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cuando para la bomba, retorna, por gravedad, a su posición de cierre para

evitar que la tubería se vacíe. (Ilustración 18 )

Ilustración 18 - Válvulas de retención del tipo clapeta oscilante, bola y pistón.

2.10.2.4 Motores

Los motores eléctricos, Ilustración 19 , son componentes muy importantesen las estaciones, una vez que permiten el accionamiento de las bombas y otros

mecanismos. Visando la durabilidad, el coste de mantenimiento y rendimiento,

los motores trifásicos son los más utilizados en una estación. Dependiendo de

su tensión menores de 100 Kw y mayores de 100 Kw son considerados de baja

y media tensión respectivamente.


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Ilustración 19 - Motor Trifásico.

El uso de baja o media tensión está relacionado a la economía resultante.

La forma de poner los motores en la instalación, responde a la forma constructiva

de la bomba, a la cual va acoplada. Si ésta es vertical, el motor también lo será.

Si es horizontal, ídem.

“ La protección de los motores ubicados en sala de bombas deberá prever

adecuada ventilación del local donde estos motores están instalados, ademásde seguir la IP 55 según las normas IEC, que es la forma constructiva que impide

el ingreso de polvos o salpicaduras”. Un detalle del control de temperatura y

ventilación del local, donde están ubicados los motores, es que los mismos

generan calor, luego, se requiere una atención especial en este sentido.

Para garantizar que las estaciones de bombeo continúen su

funcionamiento normal, ante el corte del suministro de energía, tendremos de

instalar un Grupo Electrógeno, Ilustración 20 , que proporcione la energíaeléctrica, para mantener sin interrupción, todo el sistema.


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Ilustración 20 - Grupo Electrógeno

2.10.2.4.1 Clasificación de los motores

Los tipos de los motores que pueden ser utilizados son:

Motores de corriente Directa

Motores de corriente Sincrónicos

Motores de corriente Asincrónicos

Motor d e corr iente Directa

Un motor de corriente directa, Ilustración 21 , convierte la energía eléctricaen energía mecánica. Entre los motores CD, está el derivado, el de serie, el

compuesto y el de imán permanente.

Ilustración 21 - Motor de corriente Directa.


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La definición del funcionamiento de un motor de corriente directa según

“eHow en español”, consiste en un estator, una armadura, un rotor y un colector

con escobillas. La polaridad opuesta entre dos campos magnéticos dentro del

motor hace que gire. Los motores de corriente directa son el tipo más simple está

equipado con imanes, ya sean permanentes o bobinas electromagnéticas, que

producen un campo magnético.

Cuando la corriente pasa a través de la armadura, también conocida como

bobina o alambre, ubicada entre los polos del imán, el campo generado por la

armadura interactúa con el campo del imán y genera torsión. En un motor, el

imán forma el estator, la armadura se ubica en el rotor y el colector alterna la

corriente entre una bobina y la otra. El colector conecta la fuente de energíaestacionaria a través del uso de escobillas o varas conductoras. Además, los

motores operan con una velocidad fija o un voltaje fijo.

Motor de corr iente Sincrónico

Los motores síncronos, Ilustración 22 , son un tipo de motor de corriente

alterna. Su funcionamiento depende de la rotación del eje que esta sincronizada

con la frecuencia de alimentación. El período de rotación es igual a un número

entero de ciclos. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de

la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares

de polos del motor. Este tipo de motor contiene electro magnetos en el estator del

motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de

sincronismo.

Ilustración 22 - Motor de corriente Sincrónico

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1torhttp://es.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1torhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_alterna


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Según la ‘Ectalog” las ventajas de este tipo de motor son:

Ventajas económicas y operacionales considerables, debido a sus

características de funcionamiento;

Corrección del factor de potencia: los motores sincrónicos pueden ayudar

a reducir los costos de energía eléctrica y mejorar el rendimiento del

sistema;

Velocidad constante: los motores sincrónicos mantienen la velocidad

constante tanto en las situaciones de sobrecarga como durante

momentos de oscilaciones de tensión, respetándose los límites del

conjugado máximo (pull-out);

Alto rendimiento: en la conversión de energía eléctrica en mecánica es

más eficiente, generando mayor ahorro de energía;

Alta capacidad de torque: los motores sincrónicos son proyectados con

altos torques en régimen, manteniendo la velocidad constante, incluso en

aplicaciones con grandes variaciones de carga;

Mayor estabilidad en la utilización con convertidores de frecuencia;

Los motores sincrónicos son fabricados para atender las necesidades de

cada aplicación. Que pueden ser: en la minería (moledoras, molinos, cintas

transportadoras y otros), siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y

compresores), papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras,

compresores y refinadoras), Saneamiento (bombas), química y petroquímica

(compresores, ventiladores, extractores y bombas), cemento (moledoras,

molinos y cintas transportadoras) y etc.

Motor de corr iente Asincrónicos

Los motores habitualmente que más se emplea por ser un motor de gran

impulsión y robusto son los de corriente asincrónica, Ilustración 23 . Una de sus

ventajas es que se puede tolerar fluctuaciones de velocidad en relación a lacarga.


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Ilustración 23 - Motor Asincrónico.

El motor asincrónico funciona según el principio de Faraday. Al aplicar

corriente alterna, habitualmente trifásica, a las bobinas inductoras, se produce

un campo magnético giratorio, cuya frecuencia será igual a la de la corriente

alterna con la que se alimenta al motor.

Este campo al girar alrededor del rotor, inducirá corrientes en el mismo, que

producirán un campo magnético que seguirá el movimiento del campo estatórico,

produciendo una cupla o par motor que hace que el rotor gire. Sin embargo,

como la inducción en el rotor sólo se produce si hay una diferencia en las

velocidades relativas del campo estatórico y el rotórico, la velocidad del rotor

nunca alcanza a la del campo rotante. A esta diferencia de velocidad se la

denomina "deslizamiento" y se mide en términos porcentuales, por lo que éstaes la razón por la cual a los motores de inducción se los denomina asincrónicos.

El deslizamiento difiere con la carga mecánica aplicada al rotor, siendo

máximo con la máxima carga aplicada al mismo. Sin embargo, a pesar de esto,

el motor varía poco su velocidad, por lo que se puede deducir que son motores

de velocidad casi constante. Algunas fórmulas para cálculos de velocidad,

potencia y potencia útil están a continuación:


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A. Rendimiento

El rendimiento total de estas máquinas puede ser clasificado de acuerdo con su

tamaño. “En motores pequeños, de hasta 1 KW de potencia, el rendimiento

puede alcanzar el 65 %. En motores medianos (entre 1 y 10 KW), éste puedellegar a tener valores entre un 75% y un 80%. Para potencias de hasta 100 KW

el rendimiento puede alcanzar un 90%, y para potencias superiores se han

obtenido rendimientos de hasta un 95%”.Depende también de calidad

constructiva del fabricante, como los materiales utilizados y otros componentes.

B. Velocidad

Como fue dicho, la variación de velocidad de este tipo de motor es insensible

a la variación de la carga, o sea su velocidad asincrónica casi no cambia para

los diferentes estados de potencias. En motores pequeños, esta variación puede

alcanzar un porcentaje pequeño, mientras que para motores más grandes, este

valor es más pequeño.

C. Factor de potencia

Se define factor de potencia, de un circuito de corriente alterna, como la

relación entre la potencia activa, y la potencia aparente. Da una medida de la

capacidad de una carga de absorber potencia activa. Es aconsejable que en una

instalación eléctrica el factor de potencia sea alto. O es simplemente el nombre

dado a la relación de la potencia activa usada en un circuito, expresada en vatios

o kilovatios (KW).

Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la

instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores

sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone

de ellos).

2.10.2.5 Tuberías

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_activahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_aparentehttp://www.monografias.com/trabajos/compelectropas/compelectropas.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/compelectropas/compelectropas.shtmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_aparentehttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_activahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctrico


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Las tuberías pueden ser:

Tuberías de succión;

Tubería de impulsión.

Tubería de im pu lsi ón

La tubería de impulsión deberá pasar por un análisis técnico y económico.

Con eso se puede determinar el diámetro que será utilizado en la instalación. El

análisis debe considerar que si el diámetro adoptado es grande, la pérdida de

carga en la tubería será pequeña y por lo tanto la potencia de la bomba será

reducida, luego el costo de la bomba será reducido, pero el de la tubería de

impulsión será elevado.

La fórmula para calcular el diámetro puede ser la de Bresse. Para

estaciones pequeñas su resultado es aceptable, pero para estaciones más

grandes, dará una primera aproximación y es conveniente un análisis

económico:

= √ Siendo:

D = Diámetro económico, m.

K = Coeficiente entre 0.9-4.0.

Q = Caudal de bombeo, m3

El valor del coeficiente K es consecuencia del precio de la energía

eléctrica, pues como hemos dicho este cálculo se hace por imposiciones

económicas. Además, según él guía para el diseño de estaciones de bombeo de

agua potable, de la organización panamericana de la salud, se deben tomar en

cuenta los siguientes aspectos:


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- Dotar al sistema de los dispositivos que aseguren los riesgos debido al

fenómeno del golpe de ariete.

- A la salida de la bomba debe proyectarse una válvula de retención y una de

compuerta. Asimismo, debe considerarse la instalación de uniones flexibles para

mitigar los efectos de vibración.

- En todo cambio de dirección debe considerarse elementos de anclaje y

sujeción.

- El diámetro de las tuberías largas, debe ser calculado con velocidades

relativamente bajas, generalmente entre 0,65 a 1,50 m/s.

- El diámetro de la tubería de impulsión, para distancias cortas, debe calcularse

para velocidades mayores, que esté entre 1,50 a 2,00 m/s.

Tubería de s uc ción

La tubería de succión debe atender algunas consideraciones como:

Intentar ser la más corta posible, evitando piezas especiales;

La altura máxima de succión más las pérdidas de carga, debe

satisfacerlas especificaciones establecidas por el fabricante de las

bombas.

El diámetro de la entrada de la bomba no debe ser tomado como

indicación para el diámetro de la tubería de succión. Para la tubería se

adoptan diámetros mayores con el objeto de reducir las pérdidas de carga.

La pérdida de carga a lo largo de la tubería puede ser calculada a través de la

fórmula de Hazen – Williams:

=0,355,6 × ,4 Donde:


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V = Velocidad media, (m/s).

D = Diámetro, (m).

= Pérdida de carga unitaria, (m/m).C = Coeficiente que depende de la naturaleza de la paredes de los tubos

(material y estado).

Para la pérdida de carga localizada, tenemos:

ℎ = ²2

Donde:

ℎ = Pérdida de carga, (m).K = Coeficiente de pérdida de carga singular.

V = Velocidad media en la sección, (m/s).

g = Aceleración de la gravedad, (m/s2).

Los aspectos que debemos tener en consideración, según él guía para el diseño

de estaciones de bombeo de agua potable, de la organización panamericana de

la salud son los siguientes:

- En la extremidad de la tubería de succión debe ser instalada una rejilla, con un

área libre de los orificios de la criba de 2 a 4 veces la sección de la tubería de

succión.

- Cuando el diámetro de la tubería de succión es mayor que el de admisión de la

bomba, la conexión debe realizarse por medio de una reducción excéntrica con

su parte superior horizontal a fin e evitar la formación de bolsas de aire.


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- La tubería de succión generalmente tiene un diámetro comercial

inmediatamente superior al de la tubería de descarga.

- En una tubería de succión con presión positiva debe instalarse una válvula de

compuerta.

- En una tubería de succión que no trabaje con presión positiva debe instalarse

una válvula de retención en su extremo inferior para evitar el cebado.

- Siempre que las diversas bombas tuvieran sus tuberías de succión conectadas

a una tubería única, las conexiones deberán ser hechas por medio de uniones.

- No deben ser instaladas curvas horizontales, codos o tês junto a la entrada delas bombas.

2.11 BOMBAS E INSTALACIONES DE BOMBEO

Diversos autores dividen las bombas hidráulicas de distintas maneras,

todavía la clasificación más común es, primeramente, dividirlas entre bombas de

desplazamiento positivo y roto dinámicas. Las bombas de desplazamiento

positivo tienen su principio de funcionamiento en el aumento de presión gracias

al empuje de las paredes que varían su volumen. Por esto, estas bombas pueden

ser denominadas también bombas volumétricas y son mostradas en la

Ilustración 24 .

Ilustración 24: Bomba de desplazamiento positivo.


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Actualmente, en los sistemas de bombeo de agua hay un dominio de las

bombas roto dinámicas, y por esto no será presentado un estudio más a fondo

de las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas roto dinámicas tienen

su principio de funcionamiento en el intercambio de cantidad de movimiento entre

la máquina y el fluido. Pueden ser divididas en acerca de:

La forma de admisión del fluido

Succión sencilla

Doble succión

La dirección del flujo

Radial; Axial;

Mixto;

I lustración 26: Ejemplo de bom ba de dob lesucción.

Ilustración 25: Ejemplo de bomba desucción sencilla.


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Ilustración 27: Flujo radial (izquierda), axial (centro) y mixto (derecha). Ilustración en portugués.Universidad de São Paulo.

El tipo de rotor

Abierto;

Semi cubiertos o semi abiertos;

Cerrado;

Ilustración 28: Rotor abierto (abajo), cerrado (izquierda) y semi abierto (derecha). Universidad deSão Paulo.

Posición en relación al agua

Sumergible;

No sumergible;


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Ilustración 29: Ejemplo de bomba sumergible.

Ilustración 30: Ejemplo de bomba no sumergible.

Aunque sea necesario evaluar en cada caso cual sería la bomba más adecuada,

es posible identificar ciertos padrones en el mercado. Las bombas de doble succión

suelen ser más caras que las de succión sencilla, que por eso estas son más

comúnmente utilizadas. En relación al flujo, son más comunes en el mercado para el

bombeo de agua las de flujo radial. Las de flujo axial generalmente pueden manejargrandes caudales de líquidos contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y por

eso no son largamente utilizadas, mientras las bombas de flujo mixto son un intermedio

entre estas dos. Las necesidades hidráulicas son determinantes para la elección del tipo

de flujo de la bomba, y generalmente direccionan el diseño para las bombas de flujo

radial.

El tipo de rotor generalmente determina si es posible la existencia de sólidos en

el agua, y su tamaño máximo. Rotores cerrados generalmente no admiten partículas, y

por lo tanto solo pueden bombear agua limpia. Rotores abiertos pueden bombear agua


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con sólidos de 300 mm o más, dependiendo del modelo de la bomba. Así, son

adecuadas para aguas residuales, sin embargo pueden ser utilizadas también para agua

limpia, aunque generalmente sean más caras que las de rotores cerrados. Las bombas

de rotor semi-abierto también permiten bombearse sólidos, pero de tamaños menores

que las bombas de rotores abiertos.

Las bombas sumergibles son usadas en pozos húmedos, mientras las no

sumergibles son usadas en pozos secos. La cuestión, entonces, es más importante que

apenas la elección del tipo de la bomba en este caso. La obra civil del pozo seco es

generalmente más cara, una vez que además del volumen necesario de agua del

reservatorio hay que tener también el espacio, seco, para las bombas y tuberías. En el

pozo húmedo las bombas comparten el espacio con el reservatorio. Sin embargo, la

manutención de bombas en pozo húmedo es más difícil, por ser necesario sacar labomba del pozo para realizar la manutención. Es necesario tener en cuenta todas estas

variables para elegir si la bomba será sumergible o no.

Ilustración 31: Ejemplo de bomba no sumergible en pozo seco en la ciudad de Lins, Brasil.Universidad de São Paulo.


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Ilustración 32: Ejemplo de bomba sumergible en pozo húmedo. Universidad de São Paulo

Una decisión importante en las estaciones de bombeo en general es si la succión

de la bomba será positiva o negativa. La succión de la bomba es dicha positiva,Ilustración 33 , cuando el nivel mínimo del reservatorio de succión esté el eje de la

bomba, como mostrado en la ilustración siguiente:

Ilustración 33: Ejemplo de bomba con succión positiva. Universidad de São Paulo

La succión es dicha negativa cuando, Ilustración 34 , el nivel mínimo del

reservatorio esté más bajo que el eje de la bomba, como mostrado en lailustración siguiente.


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Ilustración 34: Ejemplo de bomba con succión negativa. Universidad de São Paulo

La succión positiva, hidráulicamente, es más ventajosa. El riesgo de no

funcionamiento gracias a entrada de aire en la tubería es muchísimo menor, y

un buen proyecto del pozo de succión lo puede reducir más, con los correctos

dispositivos anti vórtices. En ciertos casos, todavía, la obra civil puede ser más

cara. Por ejemplo, si el pozo de succión es enterrado, para que la succión sea

positiva será necesario que la bomba esté en una obra enterrada también,

elevando los costes de implantación.Los riesgos de entrada de aire en la tubería pueden ser reducidos,

también, una serie de acciones, como:

Tubería de succión siempre ascendente:

Ilustración 35: La tubería ascendente (derecha) y tubería descendente (izquierda). Universidad deSão Paulo.

Utilización de reducción excéntrica en la tubería de succión


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Ilustración 36: Bomba con reducción concéntrica (izquierda) y excéntrica (derecha). Universidadde São Paulo

Utilización de válvula de retención de pie con filtro

Ilustración 37: Ejemplo de válvula de retención de pie con filtro.

Presencia de reservatorio o bomba auxiliar para cebado de la bomba


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Ilustración 38: Ejemplo de bomba con succión negativa y reservatorio para cebado. CBMESP.

La tubería descendente para el eje de la bomba tiene un riesgo mucho

más grande de que el aire que entre se quede aprisionado, mientras con la

tubería ascendente el aire puede salir del sistema. Lo mismo sirve para las

reducciones: las reducciones excéntricas permiten que el aire salga de la tubería,

mientras las reducciones concéntricas hacen con que el aire se quede

aprisionado.

Las válvulas de retención de pie con filtro son puestas en el comienzo de

la tubería de succión para que cuando se apague la bomba el agua que esté

dentro de la tubería no salga, para mantener el cebado de la bomba. Así mismo,

es posible que el agua salga de la tubería, de manera que es necesario ponerla

nuevamente en carga. Esto se puede hacer con un reservatorio pequeño

exclusivamente para el cebado (con o sin bomba) o manualmente.Para hacer el correcto dimensionamiento de la tubería y la selección

correcta de la bomba, es necesario primero definir los conceptos hidráulicos más

importantes de las bombas:

Caudal

o Es la cantidad de líquido que pasa por unidad de tiempo a través

de una sección de control. Se puede definir también por el producto


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entre la velocidad del fluido y el área de la tubería. Es

tradicionalmente representada por la letra Q y su unidad de medida

es normalmente el m³/s en el sistema internacional. También es

común utilizar el m³/h y L/s.

Presión

o En hidráulica, generalmente es utilizada la presión relativa, es

decir, la diferencia entre la presión en el fluido y la presión

atmosférica. Por esto, un líquido en reposo a cielo abierto sometido

a presión atmosférica tiene una presión igual a cero. Es

tradicionalmente representada por la letra P. La unidad

correspondiente del SI es el Pa (Pascal), pero en hidráulica

generalmente se utiliza el m.c.a (metros de columna de agua).

Potencia hidráulica

o Es el parámetro que mide el trabajo realizado por el líquido en una

unidad de tiempo. En termos hidráulicos, se la puede calcular por

el producto entre el caudal y presión. Es representada por Ph, y

habitualmente presentada en W o kW (unidades de SI), o en CV

(caballo-vapor).

Potencia mecánica

o Es la relación entre la potencia hidráulica y el rendimiento de la

bomba, representada por Pm o Pot.

Utilizando estos conceptos, Bernoulli, estudiando el problema de

conservación de la energía, llegó al concepto de carga hidráulica, que se puede

definir por:

= + +

2


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Donde:

H es la carga hidráulica;

z es la altura del líquido en relación a un plano horizontal de referencia

cualquier;

p es la presión;

γ es el peso específico del fluido;

v es la velocidad del fluido;

g es la aceleración de la gravedad.

Considerando que la energía se conserva en la tubería, la diferencia entrela carga en dos secciones de control de la tubería es necesariamente igual a la

pérdida de carga entre estos puntos:

− = ∆

Y, además, si hay una bomba o una turbina sumando energía al sistema,es necesario llevarla en cuenta:

+ − = ∆

Donde:

H b es la carga aplicada por la bomba; H 1 es la carga en el punto 1 de la tubería;

H 2 es la carga en el punto 2 de la tubería;

∆H es la pérdida de carga en la tubería.

En un tramo de tubería (sin bombas) se puede representar la

conservación de energía como el la Ilustración 39 .


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Ilustración 39: Representación de la conservación de la energía. UNESC.

Cuando son utilizadas bombas, hay diversas representaciones, quedependen del tipo de bomba (si es sumergible o no), si la succión es positiva o

negativa y de las posiciones de los reservatorios. (Ilustración 40 , Ilustración 41 ,

Ilustración 42 , Ilustración 43 , Ilustración 44 y Ilustración 45 ).

Ilustración 40: Ejemplo de línea piezométrica para bomba con succión negativa

Ilustración 41: Ejemplo de línea piezométrica para bomba con succión positiva


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Ilustración 42: Ejemplo de línea piezométrica para bomba sumergible. En este caso, no haysucción.

Ilustración 43: Ejemplo de línea piezométrica para bomba lejana a la estación de bombeo.

Ilustración 44: Ejemplo de sistema con bombas en serie.


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Ilustración 45: Ejemplo de empleo de bomba para aumento de caudal. En este caso, habríanormalmente un flujo por gravedad; todavía, se desea que el caudal sea más grande que esto.

Para dimensionar la tubería y la bomba, la manera más común es a

través de la ecuación de Manning:

=

Dónde:

Q es el caudal de diseño A es el área mojada de la tubería;

n es el coeficiente de rugosidad de Manning;

R h es el radio hidráulico, que es la relación entre el área mojada y el

perímetro mojado;

i es la pendiente de la línea piezométrica.

Simplificadamente, se la puede escribir, en unidades del SI, de lasiguiente forma:

= 0,31

Generalmente, se sabe el caudal de diseño, o un estudio de demanda lo

puede determinar. Así, es necesario determinar solamente el diámetro de la


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tubería y la carga fornecida por la bomba para que se llegue al caudal de diseño.

El diámetro mínimo y máximo de la tubería deben respectar rangos de manera

que no haya vibraciones excesivas, que pueden causar daños en la tubería, ni

deposición de sedimentos. Este rango suele estar entre un 0,5 m/s y 3,0 m/s, o

valores parecidos, de acuerdo con diversos autores. Así, como se sabe el caudal

y el rango de velocidad, se puede determinar los posibles diámetros utilizando la

siguiente ecuación:

=

Donde:

Q es el caudal de diseño;

V es la velocidad del agua en la tubería;

A es el área interno de la tubería.

Con estos rangos de diámetros y la ecuación de Manning, se puede

determinar la pendiente mínima para que se llegue al caudal de diseño, y de la

pendiente mínima se puede llegar a la carga mínima que la bomba debe ofrecer.

La ecuación de Manning no es, todavía, la única manera de hacer los

cálculos para la elegir la bomba. Otra manera común y recomendada por

diversos autores es la “ecuación universal” para determinación de la pérdida de

carga:

∆ = 2 +

2

Donde:

∆H es la pérdida de carga;

f es el factor de atrito;

L es la longitud de la tubería; D es el diámetro interno de la tubería;


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V es la velocidad del fluido en la tubería;

g es la aceleración de la gravedad.

K es la suma de las constantes de pérdidas singulares de carga.

Sustituyendo la velocidad por el caudal (Q) partido por el área, se puede

llegar a la siguiente ecuación:

∆ = 8 +8

4 =( ) + 8

4

Hay diversas formas de calcular el factor de atrito (f), que es diferente para

flujo laminar, transitorio o turbulento. Todavía, en casi todas las aplicaciones

prácticas de ingeniería civil el flujo es turbulento. La más reconocida es el método

de Darcy-Weisbach:

1√ =−2log

/3,7 +

2,51 √

Donde:

f es el factor de atrito de Darcy-Weisbach;

ε es la rugosidad absoluta de la tubería;

D es el diámetro interno de la tubería;

Re es el número de Reynolds.

El número de Reynolds, una relación entre fuerzas de inercia y fuerzas

viscosas, se puede calcular de la siguiente manera:

=

Donde:


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Re es el número de Reynolds;

ρ es la densidad de la sustancia;

v es la velocidad del fluido;

D es el diámetro interno de la tubería; µ es la viscosidad dinámica del fluido (0,001 para el agua).

Es importante fijarse que el cálculo de la pérdida de carga por la ecuación

de Darcy-Weisbach no es explícito, siendo necesario el cálculo iterativo y una

suposición inicial para el valor del factor de atrito. Es posible, también, para llegar

al valor de la suposición inicial del factor de atrito utilizar una ecuación explícita,

como la de Sousa-Cunha-Marques (1999) mostrada en la Ilustración 46 .

Ilustración 46: Ecuación del factor de atrito por Sousa-Cunha-Marques. Aquí, la rugosidad absolutaestá como "k".

Otra manera de determinar el valor de la suposición inicial del factor deatrito es a través del diagrama de Moody como se puede ver en la Ilustración 47


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Ilustración 47: Diagrama de Moody, en inglés.

Vale mencionar que la pérdida total de carga, calculada por la ecuación

universal, será la carga que la bomba deberá ofrecer al sistema. Además,

diámetros más pequeños, con los cuales la velocidad del agua será cerca del

límite máximo de diseño, generan más grandes pérdidas de carga, lo que

resuelta que la bomba tendrá de ser más grande, y por lo tanto más cara y con

más grande consumo de energía eléctrica. Todavía, la obra civil será más barata,

una vez que el volumen de excavaciones será más pequeño.

De manera similar, con diámetros más grandes, la pérdida de carga será

menor, y por lo tanto se puede utilizar una bomba menor y con un consumo más

bajo de energía. Todavía, la obra civil va a ser más cara. Así, en el diseño se

debe analizar todas las posibilidades de combinaciones de diámetros/bombas

de manera a llegar al más bajo precio.

Es interesante, también, hacer un estudio acerca de la posibilidad de

utilizarse dos o más bombas en serie o en paralelo. Así asociando las bombas

en serie, se suma la carga ofrecida por cada bomba, pero no se suman los


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caudales, como es posible ver en la Ilustración 48 . Esto es ideal para

posiblemente disminuir el precio de coste y tornar la operación más flexible.

Ilustración 48: Asociación de bombas en serie.

Es importante decir que la asociación en serie de bombas no es muy

común. Existen bombas que son llamadas de “multiestágios”, que son la

combinación en un único aparato de bombas en serie. Este tipo de bombas

puede ser visto en la Ilustración 49 .

Ilustración 49: Vista partida de una bomba multiestágios.

A su vez, la asociación de bombas en paralelo es común porque se

permite que se aumente el caudal y que se torne más flexible la operación. En


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estas asociaciones es posible que una bomba se quede siempre sin funcionar,

de reserva. La asociación de bombas en paralelo resuelta en una suma de los

caudales, sin cambio de las cargas ofrecidas como se puede mirar en la

Ilustración 50 .

Ilustración 50: Asociación de bombas en paralelo.

Las curvas de las bombas son encontradas en los ca

estaciones de bombeo - grupo 18 - tarde

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