Diseño De Bombeo De Agua Residual 111717

INTRODUCCIÓN

En los últimos años se ha visto una marcada tendencia en el país hacia el desarrollo habitacional mediante nuevas urbanizaciones. Las actividades de los residentes de las mismas, producen aguas afluentes contaminadas que no pueden ser liberadas al medio ambiente sin antes ser tratadas. Normalmente los sitios donde se construyen las urbanizaciones son lugares apartados de la ciudad donde no existen o están en proyecto redes de aguas residuales, por esta razón organismos de control exigen que se construyan plantas de tratamiento de aguas residuales para su posterior descarga. En el presente proyecto se aplican los fundamentos teóricos y prácticos de la mecánica de fluidos para diseñar e implementar un sistema de bombeo de aguas residuales que alimente dicha planta de tratamiento de un centro urbano. Se realizaran consideraciones que soporten el diseño y la selección del sistema de bombeo correcto, mediante cálculos teóricos y prácticos con la utilización de aplicativos comerciales usados para estas prácticas. Luego se realizaran análisis y descripciones de los costos de los equipos y materiales utilizados, incluyendo la instalación del sistema y el mantenimiento que garantice una larga vida de los equipos usados. Finalmente se describen las conclusiones resaltando los resultados obtenidos y, las recomendaciones a tener en cuanto para el desarrollo de un proyecto de estas características.

1.1 PRINCIPIOS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO Un sistema de bombeo, también llamado estación de bombeo, tiene como propósito fundamental transportar y/o elevar las aguas residuales en la red o en la planta de tratamiento cuando la disposición final del flujo por gravedad no es posible. Al igual que el diseño de los sistemas de acueducto y alcantarillado, la CRA establece los criterios y parámetros básicos de diseño de las estaciones elevadoras y de bombeo, así que en este capítulo se van a ampliar los criterios de diseño basados en el Capítulo D7 del RAS.

1.2 CONCEPTOS Y TÉRMINOS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO

El estudio, definición y manejo de sistemas de bombeo involucra términos y conceptos específicos que se definen a continuación para una mayor comprensión del capítulo.

1.

Alturas. Debido a que el propósito de las bombas está relacionado con el transporte o elevación de líquidos, se tienen tres dimensiones verticales a diferenciar: a. Altura estática de succión o aspiración: Corresponde a la diferencia entre la altura de la superficie del líquido a elevar y la altura del eje de la bomba. b. Altura estática de descarga o impulsión: Corresponde a la diferencia de niveles entre la altura del eje de la bomba y la cota piezométrica superior, es decir, el punto más elevado de la instalación. c. Altura dinámica total de elevación: Corresponde a la sumatoria de las alturas estáticas más las pérdidas de carga. Estas últimas están referidas principalmente a las pérdidas de carga por fricción en las conexiones y tuberías.

2. Aspiración. Es el fenómeno ocurrido al succionar, cuando la bomba se encuentra ubicada sobre el nivel del líquido. Esta ubicación genera un cierto grado de vacío que hace subir el líquido, pero si la altura máxima de aspiración no se consigue puede ser causada por:

a.

Pérdidas de carga por fricción y pérdidas especiales de carga en la aspiración. b. Generación de presión de vapor, que se da cuando la presión absoluta es menor a la presión de vapor del líquido que se eleva, se produce vaporización y se interrumpe el escurrimiento. c. Cavitación, que sucede cuando por una pérdida de presión localizada, el líquido hierve en ese punto de la bomba, formando burbujas o cavidades llenas de vapor, esas cavidades desaparecen cuando las burbujas llegan a regiones de la bomba con mayor presión.

3. Carga neta de succión o NPSH (Net Positive Suction Head). Es la altura de la columna que se requiere para mover el líquido sin producir cavitación. Este es un valor totalmente experimental y es proporcionado por los fabricantes de las bombas. 4. Carga neta de succión disponible o NPSH disponible. Es la diferencia entre la altura de la presión atmosférica y la altura de aspiración más las pérdidas de carga más la presión de vapor. La NPSH disponible no depende de la bomba sino del sistema hidráulico.

5. Cebado. Es una operación o actividad que consiste en sacar el aire de la tubería o conducción de aspiración y de la bomba para que quede llena con líquido y no se generen situaciones de cavitación. Se puede realizar de dos formas: Sacando el aire por medio de una bomba de vacío o llenando la tubería o conducción con el líquido, ya sea desde una fuente exterior o bien desde una conducción o tubería de impulsión mediante un By-.

6. Golpe de Ariete. Fenómeno causado sobre todo el sistema hidráulico originado al retornarse el agua que hay en la tubería de descarga por parada y/o apagado de la bomba. Este fenómeno debe prevenirse con la colocación de válvulas de retención, ya que su suceso daña las conducciones, las conexiones y las partes de la bomba.

7. Presión Atmosférica. Es la presión que ejerce el aire en cualquier punto de la atmósfera. 1.3 HIDRÁULICA DE BOMBAS Y SISTEMAS DE BOMBEO

El movimiento de un fluido a través de un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energía. Los medios comúnmente empleados para lograr flujo en los fluidos son: gravedad, desplazamiento, fuerza centrifuga, fuerza electromagnética, transferencia de cantidad de movimiento (momentum), impulso mecánico, o

combinaciones de estos seis medios básicos. Después de la gravedad, el medio más empleado actualmente es la fuerza centrífuga: La descarga de un fluido mediante el desplazamiento parcial o total de su volumen interno por medio de bombas tiene las siguientes características: 1. Son adaptables para el funcionamiento a presiones elevadas. 2. El gasto a través de la bomba es variable, incluso se pueden emplear sistemas auxiliares de amortiguamiento para reducir la magnitud de la pulsación de presión y la variación de flujo. 3. Las condiciones mecánicas limitan los gastos máximos. 4. Pueden tener un desempeño eficiente a índices de gasto de volumen extremadamente bajos. Cuando se utiliza fuerza centrífuga, ésta es proporcionada por medio de una bomba centrifuga o de un compresor. Aunque varía mucho el aspecto físico de los diversos tipos de bombas centrífugas, la función básica es siempre la misma, es decir producir energía cinética mediante la acción de una fuerza centrifuga y convertirla parcialmente en presión. Estos dispositivos tienen las siguientes características: 1. La descarga está relativamente libre de pulsaciones. 2. El diseño mecánico se presta a gastos elevados, lo que significa que las limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema. 3. Pueden asegurar un desempeño eficiente a lo largo de un intervalo amplio de presiones y capacidades, incluso cuando funcionan a velocidad constante. 4. La presión de descarga es una función de la densidad del fluido. 5. Son dispositivos de velocidades relativamente bajas y más económicos.

Cuando el fluido es buen conductor eléctrico, es posible aplicar un campo electromagnético en torno al ducto del fluido, de tal modo que se genere una fuerza impulsora que provocará el flujo. Esas bombas se desarrollaron para el manejo de líquidos para transferencia de calor, sobre todo en los reactores nucleares. La carga dinámica total H de una bomba es:

𝐻 = ℎ𝑑 − ℎ𝑠 Donde, hd = Carga total de descarga hs = Carga total de succión Y hs es:

ℎ𝑠 = ℎ𝑔𝑠 + 𝑎𝑡𝑚 + ℎ𝑣𝑠

Donde, hgs = Lectura del manómetro en la brida de succión de la bomba atm = Lectura barométrica hvs = Carga de velocidad en el punto de colocación del medidor Si la presión manométrica en el succionador es menor que la atmosférica, requerirá la utilización de un vacuómetro cuya lectura se utilizará para hgs en la ecuación anterior, con un signo negativo. Antes de la instalación de la bomba, es posible estimar la carga total de succión como sigue:

ℎ𝑠 = ℎ𝑠𝑠 − ℎ𝑓𝑠 Donde, hss = Carga estática de succión hfs = Carga de fricción en la succión

Para el cálculo del rendimiento de una bomba, se acostumbra conocer su potencia desarrollada, que es el producto de la carga dinámica total y la masa de líquido bombeada en un tiempo dado. En unidades del SI, la potencia se expresa en kilowatts, sin embargo en Estados Unidos la unidad convencional es el caballo de potencia (hp). En unidades del SI 𝑘𝑊 = 𝐻𝑄𝜌/3,670𝑥105 Donde, hp = Potencia desarrollada por la bomba, hp H = Carga dinámica total (columna del líquido), ft Q = Capacidad, galones/min s = Gravedad específica del líquido

En unidades usuales en Estados Unidos ℎ𝑝 = 𝐻𝑄𝑠 /3,960𝑥103 Donde, kW = Potencia desarrollada por la bomba, kW H = Carga dinámica total (columna del líquido), m Q = Capacidad, m3/h ρ = Densidad del líquido, kg/m3

La potencia suministrada a una bomba es mayor que su potencia desarrollada a causa de las pérdidas internas debidas a fricción, fugas, entre otras. La eficiencia de una bomba se define como: 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑟𝑟𝑜𝑙𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

1.3 CLASES DE EQUIPOS PARA BOMBEO DE AGUA RESIDUAL

Hay muchas formas de clasificar las bombas, por ejemplo se pueden catalogar por rangos de volúmenes a manejar o por fluidos a mover, entre otras. Sin embargo, la clasificación más general es en función de la forma en que las bombas imprimen el movimiento al fluido, las separa en dos tipos principales, tal como se indica en la Figura 02.

Figura 02. Clasificación de bombas

Fuente. Perry Roberth. 1997

Los principales instrumentos para elevar aguas residuales y pluviales son las bombas helicoidales, las bombas centrífugas y las bombas eyectoras. El funcionamiento de estos es el siguiente:

1. Las bombas centrífugas son accionadas por motores eléctricos (Figura 03) o de combustión interna. Son las más usadas y se fabrican para capacidades variadas. En general, tienen altos rendimientos y son las más apropiadas cuando las alturas de bombeo son grandes.

Figura 03. Partes de una bomba centrifuga

Fuente. Adrian Castillo Nava. 2010

El comportamiento hidráulico de estas bombas se basa en los mismos principios que rigen las bombas centrífugas utilizadas para el bombeo de agua limpia. Sin embargo, dado que las aguas residuales y pluviales contienen partículas en suspensión, estas bombas deben tener rotores especiales que permitan el paso de material sólido de un cierto diámetro (inatascables y resistentes a la acción corrosiva), además de registros de inspección a la entrada y salida para permitir su limpieza. Usualmente trabajan ahogadas, lo cual evita el cebado inicial y la utilización de la válvula de pie, la cual podría funcionar deficientemente con los sólidos transportados por el agua. Existen varios tipos de bombas centrífugas para aguas residuales y pluviales: de eje horizontal; de eje vertical con instalación en el pozo húmedo; de eje vertical con instalación en el pozo seco, y conjunto motor – bomba sumergible. Las de eje vertical tienen la ventaja de poder ser operadas por motores ubicados en niveles superiores libres de posibles inundaciones. Las de motor – bomba sumergible engloban en una sola carcasa, la bomba centrífuga y el motor

eléctrico. Para determinar la capacidad de una bomba centrífuga y seleccionar el modelo apropiado es necesario conocer fundamentalmente el caudal de bombeo y la altura dinámica total.

2. Las bombas eyectoras reciben las aguas residuales sin cribado previo. Están conformadas por una cámara a la que llega el agua directamente desde un colector alimentador. Cuando el nivel alcanza una cota determinada, un sensor eléctrico activa un compresor que inyecta aire en la cámara e impulsa el agua por la tubería de salida. Son adecuadas para caudales de bombeo bajos.

3. Las bombas helicoidales están basadas en el tornillo de Arquímedes (Figura 34), funcionan al aire libre y, por lo tanto, a presión atmosférica. La altura que debe vencerse corresponde al desnivel existente entre las extremidades del tornillo, colocado en su posición de operación. Estas bombas son adecuadas para caudales importantes y pequeñas alturas de elevación. Su rendimiento es relativamente bajo debido principalmente a fugas entre la hélice y la canaleta que la contiene.

Figura 04. Tornillo de Arquímedes

1.4 ESQUEMAS DE SISTEMAS DE BOMBEO Cuando en un sistema de tratamiento de aguas residuales se tienen dos o más bombas, estas pueden conectarse de diferentes formas dependiendo del objetivo deseado. Según Zertuche, hay casos en que las necesidades de un sistema exigen que varíe la

presión o el gasto, así como los requerimientos de succión y descarga; para ello se emplea el uso de bombas en serie o en paralelo y con ello se logra el aumento de la eficiencia de dicho sistema. En esta lección se estudiaran más a fondo estos dos tipos de sistemas.

1. Esquema de bombeo en paralelo. Este esquema es útil en situaciones donde se pronostican fluctuaciones significativas de caudal. Para esto, la demanda máxima de caudal se reparte en varias bombas iguales en paralelo (Figura 35) descargando al tiempo en un colector común conectado a la tubería de impulsión. A medida que aumenta el caudal se van prendiendo las bombas de acuerdo a la necesidad. En este caso se suman las capacidades de las bombas y se operan a la misma carga.

Figura 05. Esquemas de un sistema de tres bombas en paralelo

Fuente. Autor. 2011

2. Esquema de bombeo en serie. En este caso se suman las cargas de las bombas a la misma carga, conectando varias bombas una después de la otra (Figura 06) con el fin de lograr un aumento proporcional de la presión total o final del sistema. Así, una tubería de succión se introduce en la fuente de agua y a la entrada de la primera bomba, luego a la salida de esta bomba se conecta la entrada de la siguiente, y así sucesivamente. El caudal va sufriendo sucesivamente una relevación de altura cuando las bombas están distantes y de presión cuando las bombas están una inmediatamente después de la otra. El esquema en serie resulta interesante cuando hay que suministrar alturas elevadas y existe limitación de diámetros.

Figura 06. Esquemas de un sistema de tres bombas en serie

Fuente. Autor. 2011

1.5 CURVAS CARACTERÍSTICAS Según Fernández, la altura manométrica y el caudal de una bomba varían según la velocidad de rotación, dependiendo esta variación de las leyes de semejanza: 𝑞 𝑛 𝐻𝑚 𝑛2 = ; = 2 𝑞′ 𝑛′ 𝐻𝑚 ′ 𝑛′ La ley de variación de Hm, q y n, viene a su vez definida por la ecuación de las curvas características, de la forma:

𝐻𝑚 = 𝐴 − 𝐵𝑞 − 𝐶𝑞2 en la que los valores de A y B son:

por lo que el valor de Hm se obtiene en la forma:

𝐻𝑚 = 𝐶1 . 𝑛2 − 𝐶2 . 𝑛. 𝑞 − 𝐶. 𝑞 2 que es la ecuación de las curvas características, en la que C1 y C2 son constantes para cada bomba y C es otra constante propia de la bomba e independiente de la velocidad de giro. Si la ecuación anterior se representa en el espacio tomando como ejes ortogonales H m, q y n, resulta una superficie que es la característica de la bomba centrífuga, paraboloide hiperbólico; si en dicha superficie se considera la intersección con la familia de planos

paralelos al (Hm, q), es decir, planos de ecuación, n = constante, se obtiene una familia de parábolas que constituyen las curvas características de la bomba, a diversas velocidades de rotación, cuyas ecuaciones se deducen dando a n diversos valores, Figura 37, parábolas que vienen determinadas por un parámetro de la forma:

𝑝=

𝐶 2

que, para una bomba dada, es constante para toda la familia de curvas características, ya que C es independiente de la velocidad de rotación n.

Figura 07. Representación espacial de las curvas características de una bomba

Fuente. Fernández Díez Pedro. 2000

De ello se deduce que las curvas características de una bomba dada correspondientes a distintas velocidades de rotación n son congruentes. Si estas curvas características se proyectan sobre un plano paralelo al (Hm, q), Figura 08, se obtiene una familia de parábolas congruentes, de forma que sus máximos A 1, A2, A3 ... están a su vez sobre otra parábola (OA); asimismo, cada serie de puntos homólogos B1, B2, B3 ..., C1, C2, C3 ..., estarán sobre otras tantas parábolas (OB), (OC), .... respectivamente.

Figura 08. Proyección sobre el plano (Hm, q) de las curvas características de una bomba

Fuente. Fernández Díez Pedro. 2000

En efecto, dadas una serie de curvas características de una bomba, correspondientes a velocidades de giro n1, n2, n3 ..., y si en dichas curvas se consideran los máximos A1, A2, A3 ..., que corresponden a puntos homólogos (HmA1, qA1), (HmA2, qA2), (HmA3, qA3) ..., respectivamente, las ecuaciones de semejanza quedan en la forma:

𝑞𝐴1 𝑛1 𝐻𝑚𝐴1 𝑛1 2 𝑞𝐴1 2 = ; = 2=( ) 𝑞𝐴2 𝑛2 𝐻𝑚𝐴2 𝑛2 𝑞𝐴2 𝐻𝑚𝐴 𝐻𝑚𝐴1 𝐻𝑚𝐴2 = 2 =⋯= 2 = 𝑘𝐴 2 ⇒ 2 2 𝑞𝐴2 𝑛2 𝐻𝑚𝐴2 𝑛2 𝑞𝐴2 𝑞 𝐴1 𝑞 𝐴2 𝑞 𝐴 = ; = =( ) 𝑛3 𝐻𝑚𝐴3 𝑛3 2 𝑞𝐴3 } 3 {𝑞𝐴… ……………………………….

en donde kA es una constante para todos los puntos homólogos A1, A2, A3 ..., que estarán sobre una parábola (OA) de regímenes semejantes, (igual rendimiento), de ecuación:

𝐻𝑚𝐴 = 𝑘𝐴 𝑞𝐴 2 en la que la constante kA se deduce conociendo uno cualquiera de estos puntos, dividiendo la altura manométrica del mismo por el cuadrado del caudal correspondiente. Asimismo, en cualquier otra serie de puntos homólogos que no sean los máximos, las leyes de semejanza serían idénticas, de la forma:

𝐻𝑚𝐵1 𝐻𝑚𝐵2 𝐻𝑚𝐵 = = ⋯ = = 𝑘𝐵 𝑞 2 𝐵1 𝑞 2 𝐵2 𝑞2𝐵

⇒ 𝐻𝑚𝐵 = 𝑘𝐵 𝑞𝐵 2 ; 𝐻𝑚𝐶 = 𝑘𝐶 𝑞𝐶 2 𝐻𝑚𝐶1 𝐻𝑚𝐶2 𝐻𝑚𝐵 = 2 =⋯= 2 = 𝑘𝑐 2𝐶 𝑞 𝑞 𝐶 𝑞 𝐶 1 2 { } ………………………………….

que dicen que, los puntos homólogos están sobre otras tantas parábolas cuyas ecuaciones son las indicadas en dicho sistema. Estas parábolas se conocen como parábolas de regímenes semejantes. De todo ello se deduce que si se conoce la curva característica correspondiente a un número de revoluciones n, se conocen todas las curvas características para un número de revoluciones cualquiera. Si por ejemplo se conoce la curva característica correspondiente a n 1 rpm y el punto de funcionamiento dado por el caudal qA1 y la altura manométrica HmA1 del punto A1 de dicha curva característica, se determina la constante kA en la forma: 𝑘𝐴 =

𝐻𝑚𝐴1 𝑞

𝐴1 2

y a partir de ella la ecuación de la parábola de regímenes semejantes (OA):

𝐻𝑚𝐴 = 𝑘𝐴 𝑞𝐴 2 que en la posición A2, (dado que A1 y A2 tienen el mismo rendimiento por estar sobre la misma parábola de regímenes semejantes), permite determinar el caudal qA2 o la altura HmA2, si se conoce n2, o viceversa, mediante las expresiones:

En general, la curva característica suele aparecer con una ligera caída hacia la derecha (Figura 39); en principio podría parecer que mejor hubiera sido horizontal, pues permitiría regular la bomba en amplios intervalos de caudales, dando siempre la misma presión o altura de impulsión; sin embargo, el caudal se puede regular accionando la válvula de impulsión, de forma que la variación de presión que con esto se provoca, permite ajustar el caudal al valor deseado.

Figura 39. Ensayo completo de una bomba centrífuga a diferente n° de rpm

Curvas, Hm = f(q) ; N = f(q) ; h = f(q)

2.0 ELEMENTOS DE ESTACIONES DE BOMBEO En el numeral D.7.3 del Título D del RAS, se establece que la estación de bombeo debe cumplir con ciertas características y condiciones básicas, las cuales se describen a continuación:

1. Localización. La determinación de la ubicación de la estación de bombeo es muy importante, sobre todo en áreas no desarrolladas o parcialmente urbanizadas, ya que ésta podrá afectar el desarrollo completo del área. Los aspectos arquitectónicos también deben ser considerados en la selección del sitio, de tal forma que no afecte adversamente las áreas vecinas. En general, los factores que deben tenerse en cuenta son los siguientes: a. b. c. d. e.

Condiciones del sitio. Drenaje del terreno. Menor altura media entre el punto de succión y punto de bombeo. Trayecto más corto de la tubería de bombeo. Cotas de superiores a las cotas de inundación, o en caso contrario, con posibilidad de protección adecuada.

f. Estabilidad geotécnica del terreno. g. Accesibilidad. h. Dimensiones del terreno suficientes para satisfacer las necesidades actuales y futuras. i. Factibilidad de adquisición de predios. j. Facilidad de suministro adecuado de energía y disponibilidad de otros servicios (agua potable, teléfonos, entre otros). k. Facilidad de vertimientos de aguas residuales o pluviales en condiciones eventuales e interrupción de bombeo. l. Reacondicionamiento mínimo de interferencias. m. Menor movimiento de tierra. n. Integración de la obra con el paisaje circundante. o. Propiedad y facilidad de adquisición del terreno. p. Manejo de olores.

2. Inundaciones. La profundidad de los colectores o canales de llegada determinan la profundidad de la estructura de la estación de bombeo por debajo del nivel del terreno. Las estaciones de bombeo deben diseñarse de tal forma que sean resistentes a los efectos de flotación que pueden producir las inundaciones. Durante la operación de la estación no deben presentarse inundaciones dentro de ésta, y la edificación debe tener drenajes adecuados. En el pozo de succión debe dejarse un nivel de protección contra crecientes y fallas en la evacuación del caudal. La estación debe estar protegida para un periodo de retorno de 50 años.

3. Protección contra incendios. Deben existir dispositivos para extinguir incendios, ubicados en lugares adecuados, los cuales deben estar perfectamente señalizados. Además, los materiales de la estación deben ser a prueba de incendio.

4. Facilidad de mantenimiento. Deben dejarse los s necesarios para efectuar las labores de mantenimiento. En los niveles de complejidad medio alto y alto, la estación debe diseñarse de tal forma que las labores de mantenimiento no afecten la prestación del servicio.

5.

Operación económica. La estación debe tener el menor costo posible de operación y las bombas deben operar con una eficiencia cercana a la máxima posible.

6. Restricción de . Deben tomarse las medidas de seguridad necesarias para evitar el de personas extrañas diferentes de las encargadas de la operación y/o mantenimiento.

7. Análisis de costo mínimo. En los niveles de complejidad medio alto y alto debe hacerse un análisis de costo mínimo, que tenga en cuenta los costos iniciales, de operación y de mantenimiento, las economías de escala y la tasa de descuento.

2.1 BOMBAS En el numeral D.7.4.5 del Título D del RAS, se establece el tipo de bombas que debe llevar el sistema de tratamiento de aguas residuales, donde se establece que la magnitud y las variaciones de los caudales y los desniveles que deben ser vencidos permiten determinar el tipo de bomba. Las variaciones de caudales máximos a lo largo del tiempo contribuyen a determinar las etapas del proyecto y el tipo de instalación. Para pequeñas estaciones de bombeo pueden adoptarse instalaciones simplificadas con automatización en función de los niveles en el pozo húmedo, para ello deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

1. 2. 3. 4. 5.

Características del agua residual afluente. Tipo de energía disponible. Espacios requeridos y disponibles. Forma de operación prevista. Variación en los niveles máximo y mínimo en la succión y la descarga, así como la variación en los caudales. 6. Periodos de operación. 7. Compatibilidad con equipos existentes. La estación de bombeo puede estar conformada por varias bombas. Usualmente, éstas están en paralelo (ver lección 34), en el caso de aguas residuales y lluvias. Debe procurarse que las bombas sean del mismo tipo y capacidad, y guardar similitud con equipos existentes. Otros criterios de selección son economía, facilidad de operación, disponibilidad en el mercado y soporte técnico. Para establecer el número de bombas, pueden seguirse las siguientes pautas:

1.

Debido a que el caudal máximo no se presenta en la etapa inicial, deben seleccionarse bombas iguales que se irán instalando de acuerdo con los requerimientos de las diferentes etapas.

2. En el caso de bombas pequeñas, deben instalarse como mínimo dos unidades, cada una con capacidad para bombear el caudal máximo, quedando la segunda como reserva.

3. En estaciones mayores debe ser prevista, además de las unidades necesarias para el caudal máximo, por lo menos una bomba con capacidad igual a la mayor de las bombas instaladas, como reserva.

4. En la selección de las unidades de bombeo deben observarse cuidadosamente las recomendaciones técnicas (curvas características, lección 35) y operativas de los fabricantes.

2.3 CÁRCAMO El cárcamo o pozo húmedo es el compartimiento destinado a recibir y acumular las aguas residuales durante un determinado período. Su adecuado dimensionamiento y la utilización de controles de nivel permiten el correcto manejo de las aguas afluentes. El tiempo de permanencia del agua dentro del pozo no debe ser muy largo puesto que pueden generarse malos olores y gases, sobre todo en el caso de aguas residuales, y la acumulación de lodos en el fondo del pozo. Un valor recomendable del tiempo máximo de retención es 30 minutos. En caso de operación intermitente de la bomba, se recomienda un máximo de 3 a 5 arranques por hora en bombas horizontales y verticales. Para bombas sumergibles el número permitido de arranques por hora es 10. El tiempo recomendable de un ciclo de bombeo debe estar entre 10 y 20 minutos y el ciclo de operación no debe ser menor de 5 minutos[1].

La profundidad del pozo a partir del nivel del terreno debe determinarse de acuerdo con las siguientes consideraciones:

1. Cota batea del conducto afluente.

2. Diferencia de altura entre el nivel de aguas máximas y el nivel de aguas mínimas. Es recomendable que esta diferencia no sea menor que 1 m, en la mayoría de los casos. En estaciones de bombeo pequeñas puede adoptarse un valor menor, con la justificación técnica y operativa del caso.

3.

Altura requerida para la instalación de la bomba y otros elementos para garantizar que la bomba opere en condición ahogada.

4. El nivel de aguas máximas debe estar por debajo de la cota de batea del colector más bajo que descarga en el pozo, excepto en aquellos casos donde sea útil aprovechar el volumen adicional si se deja parcialmente sumergido el colector de llegada.

El fondo del pozo debe tener una inclinación mínima de 45° hacia la boca de succión, y el ancho mínimo deber estar alrededor de 1,5 m.

El volumen requerido en el pozo húmedo depende de la operación de bombeo. Si la bomba puede bombear a una tasa similar al caudal de entrada (velocidad variable), el almacenamiento requerido en el pozo húmedo es menor que si se tiene una tasa de bombeo constante.

El pozo húmedo puede tener dispositivos adicionales como compuertas y desvíos para controlar el flujo afluente. De esta manera es factible aislar la estación y verter el afluente a un curso de agua receptor adecuado de descarga cuando exista la necesidad. Estos elementos son necesarios en estaciones medianas y grandes, recomendándose la automatización de las compuertas en estas últimas. Para el nivel de complejidad del sistema alto es recomendable disponer de mediciones telemétricas para su control. Para el caso de bombas centrífugas, la carga mínima positiva de succión debe estar alrededor de 3 veces el diámetro de la tubería de succión, si ésta existe. Las velocidades recomendadas en la tubería de succión son de 1 m/s, y en la tubería de impulsión de 1,5 m/s. Estas velocidades deben ser confrontadas por las especificaciones técnicas de las bombas específicas en consideración. 2.4 TUBERÍAS DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN El Numeral 8.5.6 del Título B del RAS, establece que la velocidad máxima en tuberías de succión depende del diámetro, según la Tabla 15 y la velocidad mínima será 0.45 m/s. Tabla 01. Velocidad máxima aceptable en la tubería de succión, según el diámetro

Fuente. RAS. 2000

La velocidad en las tuberías de impulsión debe estar entre 1.0 y 3.0 m/s. Valores por fuera del rango deben ser justificados económicamente.

El diámetro de tuberías de succión y de impulsión no pueden ser menores que las itidas por el equipo de bombeo. Se recomienda que el diámetro de la tubería de succión sea mayor que el de impulsión, por lo menos en 50 mm. En caso de que el diámetro de la tubería de succión sea mayor que el de la isión de la bomba, debe ponerse una reducción excéntrica con su parte superior horizontal. Las pérdidas por fricción y las pérdidas menores deben calcularse según lo establecido en los literales B.6.4.4 y B.6.4.5, respectivamente. El cálculo de la pérdida de cabezas debido a la fricción en una tubería o conducto cilíndrico largo, con un interior de diámetro continuo, debe hallarse mediante la ecuación de Darcy – Weisbach como se expresa en la siguiente ecuación:

𝐿 𝑉2 ℎ𝑓 = 𝑓. . 𝐷 2. 𝑔 2.5 RIOS El RAS establece que deben ser instalados en sitios accesibles para su operación, con indicaciones claras de posición abierta o cerrada para posibilitar su montaje y desmontaje. En caso de accionamiento manual, el esfuerzo tangencial que va a ser aplicado no debe sobrepasar 200 N. Si esto no puede lograrse, debe preverse un accionamiento mecanizado. Las presiones de servicio deben ser compatibles con las presiones máximas previstas. La estación debe tener ciertos rios que permitan una fácil operación, según las siguientes disposiciones:

1. Las válvulas de regulación y válvulas de corte deben tener una señalización que indique si se encuentran abiertos o cerrados. 2. Para el nivel alto de complejidad o en válvulas mayores a 300 mm (12 pulgadas) las válvulas deben tener actuadores mecanizados. 3. Para válvulas de accionamiento manual, deben colocarse dispositivos que hagan posible su operación con una fuerza tangencial menor que 200 N. 4. Las válvulas y registros deben estar instalados en sitios de fácil para el operador. 5. Los rios deben instalarse de tal manera que resulte fácil su inspección y mantenimiento, y que permitan un adecuado montaje y desmontaje.

En cuanto al tipo de válvulas necesarias, deben atenderse las siguientes recomendaciones:

1. Todas las unidades de bombeo deben tener una válvula de regulación y otra de cheque (retención) en la tubería de impulsión. 2. Las bombas instaladas en pozos secos, y que operen por debajo del nivel del agua de succión, deben tener válvula en la línea de succión. 3. En una tubería de succión que no trabaje bajo carga positiva debe instalarse una válvula de pie (retención) en la parte inferior para evitar su vaciado. 4. Deben ponerse válvulas de ventosa, cuyo uso y especificaciones depende del tipo de bomba que va a utilizarse, la operación y colocación adoptadas.

Deben consultarse las normas técnicas NTC 1991, NTC 2011; en el caso de utilizar válvulas de retención, debe tenerse en cuenta la norma técnica NTC 1752.

2.6 INSTRUMENTACIÓN DE ESTACIONES DE BOMBEO En el numeral 8.10 del RAS se establece que los dispositivos de control deben medir en todo momento las condiciones de operación y detectar fallas rápidamente. En los niveles medio alto y alto de complejidad, estos dispositivos deben ser automáticos, reduciendo al máximo la intervención del operador en las labores de medición. Como mínimo, deben colocarse los siguientes dispositivos de control:

1. Manómetros en la descarga e indicadores de presión en la línea de succión, cuando ésta trabaje en presiones negativas. 2. Un interruptor eléctrico accionado por flotador o electrónicamente en el tanque de succión conectado con el arrancador de la bomba. 3. Un interruptor eléctrico accionado por flotador o electrónicamente en el tanque de descarga, conectado con el arrancador de la bomba. 4. Alarma de bajo nivel en la succión. 5. Se recomienda un totalizador de caudales a la salida de la estación.

Además de los dispositivos anteriores, en los niveles alto y superior deben colocarse los siguientes:

1. Cuando se tiene cabeza positiva de succión, un reóstato regulador conectado a la tubería de succión de cada bomba. 2. Manovacuómetro en la sección de control para controlar las presiones a la entrada de la bomba. 3. Tacómetro en el motor de la bomba e indicadores de presión y temperatura del aceite en los motores de combustión interna. 4. Voltímetros y amperímetros en la conexión a cada bomba. 5. Válvula de cierre automático en la entrada del pozo de succión, accionada con el llenado del pozo. 6. Sistemas de autolubricación de las bombas y cebado automático.

7. Relé de mínima potencia conectado al arrancador del motor. 8. Relé de máxima potencia para proteger el motor de altos voltajes. 9. Relé diferencial de fases para proteger el motor de variaciones de tensión de una fase individual. 10. Relé de o a tierra para proteger el motor de un eventual o a tierra.

Para los niveles medio alto y alto de complejidad, los sistemas de medición deben transmitir los datos a la sala de control (Figura 40), en la cual se ubicarán tableros que indiquen las condiciones de operación de la estación. Como mínimo, los tableros deben incluir el caudal instantáneo por unidad de bombeo, la presión en las líneas de succión y descarga, el nivel del agua en el pozo de succión, la temperatura y presión del aceite, el voltaje y amperaje en las líneas de alimentación de las bombas y las revoluciones por minuto de los motores.

Figura 10. Central de control de Fukushima

Fuente. Tepco. – AP. 2011

Así mismo, en la sala de control deben disponerse los interruptores y mecanismos que permitan poner fuera de servicio cualquier elemento relacionado con el sistema de bombeo.

3.0 TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO El uso de estaciones de bombeo tiene tres propósitos específicos para el caso de redes de alcantarillado: 1. Elevar el agua residual cuando la cota de la zona a cubrir es bastante baja para evacuar por gravedad el líquido a los colectores. 2. Brindar el servicio a zonas situadas fuera de la cuenca vertiente pero dentro de la zona a dar cobertura.

3. Cuando es preferible, económica y técnicamente hablando, bombear el agua que realizar grandes excavaciones y grandes modificaciones del suelo y de infraestructura para construir el alcantarillado y dar cobertura a una zona específica.

Para cumplir con este propósito, se han desarrollado esquemas de funcionamiento y reglas de operación específicas que hacen que estos sistemas resulten óptimos y eficientes en cada caso.

Fuente: www.archiexpo.es 3.1 CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES DE BOMBEO Según Metcalf y Eddy[1], algunos de los sistemas normales de clasificación son los siguientes:

1. Por capacidad (metros cúbicos por segundo, metros cúbicos por día o litros por segundo) 2. Según la fuente de energía (electricidad, motores diesel, entre otros) 3. Por el método de construcción empleado (in situ, prefabricadas, entre otros) 4. Por su función u objeto específico

En la tabla 16 se presenta una clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y el método constructivo normalmente utilizado.

Tabla 02. Clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y método constructivo

Fuente. Metcalf & Eddy. 1998

Como puede verse, hay un solape considerable en lo que se refiere al intervalo de capacidades entre las estaciones prefabricadas y las de construcción convencional. 3.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO Según la Comisión Nacional del Agua[1], el objeto básico de una estación de bombeo es elevar el agua, por lo que dentro de una estación se incluyen tanto las bombas como equipos auxiliares de las mismas. En consecuencia, las características de diseño de las estaciones de bombeo varían con la capacidad y el método constructivo a emplear.

En la Figura 41 se muestra un diagrama esquemático de una moderna estación de bombeo convencional para aguas residuales y en la Figura 42 una estación de bombeo tipo prefabricada típica, mientras que las características generales de ambos tipos de estaciones de bombeo se resumen en la Tabla 17.

Figura 11. Estación de bombeo convencional de aguas residuales

Fuente. Comisión Nacional del Agua. 2007

Figura 12. Estación de bombeo prefabricada de aguas residuales

Fuente. Comisión Nacional del Agua. 2007

Tabla 03. Características generales de las estaciones de bombeo convencionales y prefabricadas

Fuente. Comisión Nacional del Agua. 2007

3.3 ESTACIONES DE BOMBEO CONVENCIONALES

La Comisión Nacional del Agua establece que la capacidad de las estaciones de bombeo convencionales suelen oscilar entre 0,02 y 0,65 m3/s. Se emplean cuando:

1. Las condiciones locales impiden el uso de estaciones prefabricadas 2. La magnitud o la variación del caudal es tal que excede a las capacidades disponibles de las instalaciones prefabricadas. Aunque se emplea el término convencional para describir este tipo de estaciones, cada una de ellas se proyecta para adecuarla las condiciones locales.

Para TRIPLE A S.A. ESP[1], las estaciones de bombeo convencionales están constituidas por:

1. Un canal con rejilla incorporada, en la que se retiran los sólidos que traen las aguas residuales, de tamaño mayor a la distancia libre entre rejas. 2. Un pozo de succión, con su respectiva tubería y rios, que garantiza una adecuada sumergencia, mediante el establecimiento de niveles mínimos de operación, evitando la entrada de aire y proporcionando una cabeza de succión neta positiva. 3. Un pozo seco en el cual están instaladas las bombas y sus respectivas tuberías de descargas y rios. 4. Una sala de control, en la que se encuentran instalados los motores, tableros, controles de accionamiento para encendido y apagado de las bombas, así como las oficinas del operador.

Las unidades de bombeo están compuestas por bombas centrífugas de eje vertical para pozo seco, con impulsores inatascables, operadas dentro de los niveles mínimos y máximos del pozo de succión establecidos para cada estación. La operación de las bombas se hace en algunos casos mediante controles de encendido y apagado manuales, para lo cual se requiere de operadores; en otros, mediante controles automatizados.

3.2 ESTACIONES DE BOMBEO PREFABRICADAS Según la Comisión Nacional del Agua, las estaciones de bombeo prefabricadas son suministradas en módulos que incluyen todos los equipos y componentes ya montados (ver Figura 43).

Figura 13. Estación de bombeo prefabricada de aguas residuales

Fuente. Salher. 2009

Normalmente, se encuentran disponibles en tres tipos de equipos de bombeo: eyectores neumáticos, bombas sumergidas y bombas de cámara seca. Los eyectores neumáticos se suelen emplear para caudales pequeños, ya que las bombas centrifugas cuya sección de paso sea de 75 mm, no puede funcionar a caudales menores de 0,006 m3/s. Para caudales pequeños también se puede emplear bombas sumergidas que pueden ser extraídas para su mantenimiento sin afectar el sistema de impulsión. Ambos tipos de bomba pueden utilizarse en instalaciones prefabricadas o convencionales. En el curso de los últimos años, la capacidad de las instalaciones prefabricadas se ha visto incrementada notablemente, pudiendo conseguirse, en la actualidad instalaciones de capacidades superiores a 0,3 m3/s.

3.4 OPERACIONES DE ESTACIONES DE BOMBEO Durante la operación de la estación, deben seguirse las disposiciones mostradas a continuación y establecidas en el RAS:

1.

El funcionamiento de la estación de bombeo debe ser verificado permanentemente por al menos un técnico preparado para supervisar la operación y realizar las acciones correctivas o de suspensión del servicio en caso de que se presente cualquier situación anormal.

2. En los niveles medio alto y alto de complejidad, el accionamiento de bombas debe ser automático, mediante sensores de nivel en los pozos de succión y descarga, de tal forma que se apaguen las bombas, en caso de que los niveles de agua impidan el normal funcionamiento del sistema de bombeo. 3. Los dispositivos de medición y control deben dar indicaciones visuales y sonoras de una situación de potencial peligro. 4. Para los niveles de complejidad del sistema medio alto y alto, los parámetros mencionados a continuación deben medirse permanentemente, datos que deben almacenarse en un registro y tenerse a disposición de la SSPD. a. b. c. d.

Caudal total de la estación. Presión en las líneas de succión y de impulsión. Nivel en el pozo de succión. Niveles de ruido y vibración.

Debe definirse un programa rutinario de labores de inspección, mantenimiento y reparación, estableciendo una serie de actividades diarias, mensuales y anuales, según las siguientes disposiciones:

1.

El mantenimiento de todo equipo electromecánico debe ser de carácter predictivo.

2. En los niveles medio alto y alto de complejidad, el programa de mantenimiento debe ser de labores de tipo predictivo permitiendo en todo caso el normal funcionamiento de la estación sin interrupciones en el servicio. 3. En el nivel medio de complejidad, el programa de mantenimiento debe ser de tipo preventivo. 4. En el nivel bajo de complejidad, el programa de mantenimiento debe incluir labores de carácter correctivo.

5. Debe llevarse un registro de las actividades de mantenimiento realizadas, que incluya el tipo de daño presentado, las posibles fallas, repuestos utilizados, tiempo de reparación y medidas preventivas tomadas para disminuir su ocurrencia.

4.0 EJEMPLO DE DISEÑO DE UNA ESTACION DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES

Cálculos hidráulicos

Anexo 1 cálculos hidráulicos Tabla caudales diseño 10000 417 209 718

Q med Q med horario Q mínimo Q max

Tabla 14 caudales de diseño

Número de líneas: 2 La velocidad de diseño del fluido será alrededor de 1 m/s que es superior a los 0,3 m/s mínimos recomendados para evitar la deposición de sólidos en el fondo de las tuberías y conducciones 1. Perdida carga en equipos Tamiz

Caudal de diseño Q max Número de líneas Caudal max por línea

417 718 2 359 Tabla 15 especificaciones diseño de tamices

Hi: Perdida de carga en m g= Aceleración de la gravedad Q= Caudal de punta A= Área sumergida del tamiz

(área sumergida estimada)

Teniendo en cuenta que la longitud es 900 mm y alto es de 600 mm C= Coeficiente adimensional del tamiz 0,6

Desarenador Salida por Vertedero frontal

Caudal de diseño Q max Número de líneas Caudal max por línea

417 718 2 359

Tabla 16 especificaciones diseño del desarenador

Q: caudal unitario de cada diente (Q max) h: altura de la lamina de agua aguas arriba L: longitud vertedero (2m)

Se tiene en cuenta un resguardo de 0,2 m en el vertedero total: 0,088+0,2=0,288m Perdidas internas tabuladas desarenador 0,45m Total perdidas desarenador: 0,738m

Arqueta de reparto Vertedero frontal Q: caudal unitario de cada diente (Q máx.) h: altura de la lamina de agua aguas arriba L: longitud vertedero (0,5m)

Resguardo de 0,2m total 0,422m

Reactor biológico

El tratamiento biológico de la planta referido a caudal instantáneo horario debe ser al menos superior en 2 veces al caudal medio horario de diseño de tratamiento del resto de la planta (EMUASA) [1] Vertedero triangular Thompson (dientes a 90 ):

Q: caudal unitario de cada diente (Q max) h: altura de la lamina de agua aguas arriba L: longitud vertedero (6 m) Caudal de diseño Q max Número de líneas Caudal max por línea

417 718 2 359

Tabla 17 especificaciones diseño del reactor biológico

Resguardo de 0,2m total 0,243m Perdida interna decantador primario: 0,45m Total perdidas decantación primaria: 0,693

Decantador secundario: Vertedero triangular Thompson (dientes a 90 ): Q: caudal unitario de cada diente (Q max) h: altura de la lamina de agua aguas arriba L: longitud vertedero (12 m)

Caudal de diseño Q max Número de líneas Caudal max por línea

417 718 2 359

Tabla 18 especificaciones decantador secundario

Resguardo de 0,2m total 0,227m Perdidas internas decantación secundaria: 0,45m Total perdidas decantación secundaria: 0,677

Cloración: Vertedero frontal Q: caudal unitario de cada diente (Q max) h: altura de la lamina de agua aguas arriba L: longitud vertedero (0,5m)

Resguardo de 0,2m total 0,422m Perdida interna de ciclo de cloración: 0,45m Total perdidas cloración: 0,872m Arqueta de salida Vertedero frontal Caudal de diseño Q max

417 718 Tabla 19 especificaciones arqueta de salida

Q: caudal unitario de cada diente (Q max) h: altura de la lamina de agua aguas arriba L: longitud vertedero (1,6 m)

2. Perdidas en tramos y conexiones:

Se recogen las pérdidas de carga en los rios con su coeficiente K propio y las tuberías a través de de las formulas recogidas en el Metalf-Eddy

Perdida de carga en los rios:

Accidente Contracción brusca Expansión brusca Codos a 45º Codos a 90º Válvula de compuerta Válvula de retención Compuerta canal abierto

K 0,5-1,5 0,5-1,1 0,15-0,19 0,26-0,33 0,15-0,3 1,5-2,9 0,2-0,3

Tabla 20 coeficiente resistencia rios

Perdida de carga en tuberías a través de la formula de colebook:

=perdida de carga D: diámetro de la tubería v: velocidad media del fluido en la tubería g: gravedad K:rugosidad absoluta n: Viscosidad cinemática. Según varias fuentes (Manual Uralita [8]) equivale a

=coeficiente que se obtiene a través del diagrama de moddy

En el diagrama de moddy es necesario conocer el numero Reynolds y la rugosidad relativa

Rugosidad relativa Una vez obtenido el valor se obtiene las perdidas por metro de cada tubería

Pozo de bombeo-tamiz

Velocidad de paso de agua residual:

Calculamos Reynolds y rugosidad relativa para el diagrama de moddy

Rugosidad relativa Según el diagrama de moody La pérdida por metro de tubería:

Válvula de retorno (K=2) (1 unidad): Válvula de mariposa (K=0,3) (1 unidad) Codo

(K=0,19) (2 unidades).

Longitud tramo recto 3m (0,011m/m) = 0,033 m H total=0,179m Tamiz-desarenador-arqueta reparto Codo

(K=0,19) 3 und.

Contracción brusca (K=0,5) 1 und. Longitud tramo recto 3m (0,011m/m) = 0,033 m

Conexión arqueta de reparto-reactor biológico. Válvula de compuerta abierta (K=0,2) 1 unidad Válvula de retorno (K=0,3) 1 unidad Longitud tramo recto 25m (0,011m/m) = 0,275 m Contracción brusca (K=0,5) 1 und. Codo

(K=0,19) 6 und.

Expansión brusca (K=0,5) 1 und.

Recirculación reactor biológico Válvula de retorno (K=0,3) 1 unidad Codo

(K=0,19) 4 und.

Longitud tramo recto 50m (0,027m/m) = 1,35 m

Conexión reactor biológico-decantador secundario Válvula de retorno ( k=0,3) 1 unidad Longitud tramo recto 10m (0,011/m) Contracción brusca (K=0,5) 1 und. Codo

(K=0,19) 6 und.

Expansión brusca (K=0,5) 1 und.

Conexión decantador secundario-cloración Válvula de retorno ( k=0,3) 1 unidad Longitud tramo recto 5m (0,011m/m) Contracción brusca (K=0,5) 1 und. Expansión brusca (K=0,5) 1 und.

Cloración-vertido de salida Longitud tramo recto 10m (0,011m/m) Expansión brusca (K=0,5) 1 und. Salida abierta (K=0,25) 1 unidad

Resumen perdidas equipos equipos Perdida de carga (m) Tamices 0,013 Desarenador 0,738 Arqueta de reparto 0,422 Reactor biológico 0,693 Decantador 0,677 secundario Cloración 0,872 Arqueta de salida 0,163 Total perdidas 3,578 Tabla 21 resumen perdidas equipos

Resumen perdidas de carga en rios, tuberías y accidentes Tramo Perdida de carga (m) Pozo de bombeo-tamiz 0,179 Tamiz-desarenador 0,088 Conexión arqueta reparto0,41 reactor biológico Reactor biológico0,235 decantador secundario Decantador secundario0,12 cloración Cloración-arqueta de salida 0,148 Total perdidas 1,18 Tabla 22 Resumen perdidas de carga en rios, tuberías y accidentes

TOTAL DE PERDIDAS= 4,758 m.

Cotas línea piezométrica Cotas m Cota vertido bombeo 100 Entrada tamices 99,821 Cota salida tamices 99,808 Entrada desarenador 99,72 Salida desarenador 98,982 Salida arqueta de reparto 98,56 Entrada reactor biológico 98,15 Salida reactor biológico 97,457 Entrada decantador secundario 97,222 Salida decantador secundario 96,545 Entrada cloración 96,425 Salida cloración 95,553 salida efluente 95,242 Total 4,758 Tabla 23 resumen cotas línea piezométrica

3. Comprobación de las tuberías

Para comprobar si el espesor de tubería elegido es suficiente se calcula un tramo de la línea piezométrica, en este caso salida arqueta-entrada reactor

Donde:

(Diferencia de cotas) ej: salida arqueta-entrada reactor (0,41m)

1 atm=14,7 psi

Espesor: En PVC se tiene en cuenta una tolerancia aproximada de 12% 1 atm=14,7 psi Tensión de trabajo es de 6000 psi

Espesor de 13,7mm equivale a 0,53 in 1 pulgada = 0,0254 metros

Es inferior al comercial por lo que el cálculo es correcto.

Cálculo Bombas

Anexo 2 Cálculo bombeo Cálculos necesarios para el dimensionamiento del sistema de bombeo en cabecera de planta y en recirculación

1. Cálculo del pozo de bombeo

Se calcula el pozo de bombeo que es el lugar en el que se recogen las aguas residuales que posteriormente se envían a través de las bombas tanto de cabecera como de recirculación. Volumen mínimo del pozo

V = Volumen del pozo ( Q=Caudal de bombeo máximo en (l/s) Z = numero de arranques

Sumergencia de aspiración

V= velocidad en (m/s) Q=Caudal de bombeo en (m3/s) D= Diámetro de la tubería de impulsión (m) La altura de Sumergencia: m de margen de seguridad V= velocidad en (m/s) H=altura de Sumergencia

Diámetro de pozo

= superficie mínima del pozo (m2) = Volumen mínimo del pozo (m3) = altura minima de la lamina del agua (m 2. Pozo bombeo cabecera de entrada

El pozo de bombeo de cabecera se ubica antes de tamices y después del canal de desbaste y cuya función es la de albergar el agua residual para ser impulsada hasta una cota suficiente para que fluya por gravedad posteriormente al resto de los equipos Q=718

Volumen mínimo del pozo: Se estima un máximo de 8 arranques por hora para evitar el rápido deterioro de los motores que accionan las bombas por calentamiento

Sumergencia de aspiración Caudal de bombeo 718 Diámetro estimado de tubería de impulsión 200mm

Se adopta una altura entre parada-arranque de seguridad de 0,9 m. La altura mínima del pozo: 1,23m Diámetro de pozo

La superficie mínima del pozo:

Por lo que adoptamos el siguiente pozo de bombeo:

  

Longitud Anchura Altura

L=5m A=4m H=3m

Elección del equipo de bombeo El estudio del sistema de bombeo se debe centrar en la búsqueda de las bombas que mejor se adaptan a los requisitos de caudal y que trabajen con un rendimiento aceptable.

Q med Q med horario Q mínimo Q max

Tabla caudales diseño 10000 417 209 718 Tabla 24 Caudales diseño sistema de bombeo

Imagen 26. Características bombas EBARA. Fuente: EBARA

El límite lo marca el caudal máximo que es capaz de recoger la planta y que a su vez será el máximo nivel que podrá bombear el sistema de bombeo. Partimos de la base del caudal máximo de 718 m3/hora. A estos se debe tener en cuenta que el sistema debe contemplar unos niveles de flexibilidad que permitan adaptarse a un funcionamiento en función de un régimen de trabajo que no sea el máximo y a su vez disponer de al menos una bomba de reserva que permita adaptarse a estos cambios de funcionamiento en el caso de que una bomba se encuentre en un proceso de mantenimiento y reparación. Partiendo de la base de que se utilizan bombas sumergibles, se buscan dentro del catalogo ofrecido por la casa EBARA [5], que ha proporcionado los catálogos y descripciones de los equipos necesarias para el estudio de este apartado. Además se considera que el sistema de conexión de las bombas más adecuado es en paralelo en el que se pueden sumar los caudales elevados por cada bomba, a su vez cada bomba debe ser capaz de elevar en función de ese caudal la altura manométrica calculada

Para la impulsión en cabecera de planta se opta por el modelo DML de la firma EBARA [5] con impulsor monocanal 150 DML 511 en un total de 5 unidades conectadas en paralelo (4+1 de reserva). Se trata de una bomba centrífuga sumergible con unos valores nominales de 270 y 5,4 metros de impulsión que son suficientes para impulsar el agua bruta en función de los datos calculados en línea piezométrica, que son de 718 a Qmax y de 4,758 metros. Esto quiere decir que en el peor de los casos, es decir a caudal máximo, podrían trabajar solo 3 bombas ya que serian capaces de elevar 810 m 3/hora aunque con un rendimiento que no sería el óptimo en función de la curva de funcionamiento que se muestra a continuación. En la siguiente tabla se resume el mejor funcionamiento y conexión de bombas en función del número de bombas conectadas.

Bombas conectadas 2 bombas 3 bombas 4 bombas

Qmáx(718 Q por bomba 359 239 179,50

(%) 0 62,5 67

Q medio(417 Q por bomba ) 208,5 139 104,25

Q mínimo (209 Q por bomba (%) 62 67 64

104,5 69,66 52,25

(%) 65 55 0

Tabla 25 Número de bombas en cabecera de planta conectadas en función del caudal

Se muestra en la tabla de datos que para funcionar a Caudal máximo es preferible la conexión de 4 bombas. Para el caudal medio es preferible el uso de 3 bombas y finalmente en el caso de funcionamiento a caudal mínimo es recomendable el uso de solamente 2 bombas. En el grafico de la curva de funcionamiento se aprecia que cada bomba debería de impulsar 239,3 m3/hora en el caso de configurar la instalación con 3 bombas y eso equivaldría a que las bombas trabajarían con un rendimiento del 62,5 % de rendimiento, que como se aprecia en la curva de rendimiento es inferior al 65%, que es el recomendado por el fabricante para trabajar en un amplio margen de revoluciones y en un margen de caudal de 1800-3200 l/min. Por lo que se opta por la elección de 4 bombas que en el peor de los casos comentado anteriormente elevarán un máximo de 179,50 m3/hora con un rendimiento del 67%. Es importante que el sistema de bombeo disponga de las mismas bombas o con una curva de funcionamiento muy similar para evitar posibles malfuncionamientos y que como

se ha comentando anteriormente disponga de una bomba de reserva para posibles anomalías en el funcionamiento de las 4 diseñadas

Imagen 27. Curva de funcionamiento de la bomba 150 DML 511. Fuente: EBARA

3. Pozo bombeo recirculación

Q=Caudal de bombeo =

por línea que equivale a 359

H=Altura útil de bombeo (diferencia de cotas salida-entrada reactor biológico 0,693)+(perdida de carga tubería recirculación interna 1,405)=2,098 m. Por seguridad empleamos 2,5 metros

Volumen mínimo del pozo: Se estima un máximo de 8 arranques por hora para evitar el rápido deterioro de los motores que accionan las bombas por calentamiento

Sumergencia de aspiración Caudal de bombeo 718 Diámetro estimado de tubería de impulsión 150 mm

Se adopta una altura entre parada-arranque de seguridad de 0,9 m. La altura mínima del pozo: 1,20m

Diámetro de pozo La superficie mínima del pozo:

Por lo que adoptamos el siguiente pozo de bombeo: Longitud

L=3,5m

Anchura

A=3m

Altura

H=3m

Elección del equipo de bombeo El estudio del sistema de bombeo se debe centrar en la búsqueda de las bombas que mejor se adaptan a los requisitos de caudal y que trabajen con un rendimiento aceptable.

Q med Q med horario Q mínimo Q max

Tabla caudales diseño 10000 209 105 359 Tabla 26 Caudales diseño sistema de bombeo recirculación

El límite lo marca el caudal máximo que es capaz de recoger la planta y que a su vez será el máximo nivel que podrá bombear el sistema de bombeo. Partimos de la base del caudal máximo de 359 m3/hora por línea estos se debe tener en cuenta que el sistema debe contemplar unos niveles de flexibilidad que permitan adaptarse a un funcionamientoy a un régimen de trabajo que no sea el máximo y a su vez disponer de al menos una bomba de reserva que permita adaptarse a estos cambios de funcionamiento en el caso de que una bomba se encuentre en un proceso de mantenimiento y reparación.

Se utilizan bombas sumergibles, se buscan dentro del catalogo ofrecido por la casa EBARA [5], que ha proporcionado los catálogos y descripciones de los equipos necesarias para el estudio de este apartado. Además se considera que el sistema de conexión de las bombas más adecuado es en paralelo en el que se pueden sumar los caudales elevados por cada bomba, a su vez cada bomba debe ser capaz de elevar en función de ese caudal la altura manométrica calculada Para la impulsión en recirculación se opta por el modelo DML de la firma EBARA [5] con impulsor monocanal 150 DML 57,5 en un total de 4 unidades conectadas en paralelo por línea (3+1 de reserva). Se trata de una bomba centrífuga sumergible especialmente diseñada para bombeo de aguas residuales con unos valores nominales de 240 y 4 metros de impulsión que son suficientes para impulsar el agua bruta en función de los datos calculados en línea piezométrica, que son de 359 a Qmax y de 2,5 metros. Esto quiere decir que en el peor de los casos, es decir a caudal máximo, podrían trabajar solo 2 bombas ya que serian capaces de elevar 480 m3/hora aunque con un rendimiento que no sería el óptimo en función de la curva de funcionamiento que se muestra a continuación. En la siguiente tabla se resume el mejor funcionamiento y conexión de bombas en función del número de bombas conectadas.

Bombas conectadas 1 bomba 2 bombas 3 bombas

Qmáx(359 Q por bomba 359 179,5 120

(%) 0 65 71

Q medio(209 Q por bomba ) 209 104,5 69,66

Q mínimo (105 Q por bomba (%) 58 69 67

105 52,5 35

(%) 70 0 0

Tabla 27 Numero de bombas en recirculación conectadas en función del caudal

Se muestra en la tabla de datos que para funcionar a Caudal máximo es preferible la conexión de 3 bombas. Para el caudal medio es preferible el uso de 2 bombas y finalmente en el caso de funcionamiento a caudal mínimo es recomendable es uso de solamente 1 bomba En el grafico de la curva de funcionamiento se aprecia que cada bomba debería de impulsar 179,5 m3/hora y eso equivaldría a que las bombas trabajarían con un rendimiento del 65 % de rendimiento, que como se aprecia en la curva de rendimiento es inferior al 66%, que es el recomendado por el fabricante para trabajar en un amplio margen de revoluciones y en un margen de caudal de 1100-3000 l/min. Por lo que se opta por la elección de 3 bombas que en el peor de los casos comentado anteriormente comentando elevaran un máximo de 120 m3/hora con un rendimiento del 71%.

Es importante que el sistema de bombeo disponga de bombas idénticas o de similares características, con una curva de funcionamiento muy similar para evitar posibles malfuncionamientos y que como se ha comentando anteriormente disponga de una bomba de reserva para posibles anomalías en el funcionamiento de las 3 diseñadas

Imagen 28. Curva de funcionamiento de la bomba 150 DML 57,5. Fuente: EBARA

5. GLOSARIO Para la correcta interpretación del modulo didáctico del curso Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales, se establecen las siguientes definiciones: Aguas grises: Aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, aportantes de DBO, sólidos suspendidos, fósforo, grasas y coliformes fecales. Aguas lluvias: Aguas provenientes de la precipitación pluvial. Aguas negras: Aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales. Aguas residuales domésticas: Desechos líquidos provenientes de la actividad doméstica en residencias, edificios e instituciones. Aguas residuales no domésticas: Son los residuos líquidos procedentes de una actividad comercial, industrial o de servicios y que en general, tienen características notablemente distintas a las domésticas. Alcantarillado: Conjunto de obras para la recolección, conducción y disposición final de las aguas residuales o de las aguas lluvias. Alcantarillado de aguas combinadas: Sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas a la recolección y transporte, tanto de las aguas residuales como de las aguas lluvias. Alcantarillado separado: Sistema constituido por un alcantarillado de aguas residuales y otro de aguas lluvias que recolectan en forma independiente en un mismo sector. Aliviadero: Estructura diseñada en colectores combinados, con el propósito de separar los caudales que exceden la capacidad del sistema y conducirlos a un sistema de drenaje de agua lluvia. Autoridad municipal ambiental (AMA): Entidad municipal que tiene a su cargo el manejo y ordenamiento ambiental. Autoridad regional ambiental (ARA): Entidad regional que tiene a su cargo el manejo y ordenamiento ambiental. Caja de inspección domiciliaria: Cámara localizada en el límite de la red pública de alcantarillado y la privada, que recoge las aguas residuales, lluvias o combinadas provenientes de un inmueble. Cámara de caída: Estructura utilizada para dar continuidad al flujo cuando una tubería llega a una altura considerable respecto de la tubería de salida.

Canal: Cauce artificial, revestido o no, que se construye para conducir las aguas lluvias hasta su entrega final en un cauce natural. Canalizar: Acción y efecto de construir canales para regular un cauce o corriente de un río o arroyo. Cañuela: Parte interior e inferior de una estructura de conexión o pozo de inspección, cuya forma orienta el flujo. Caracterización de las aguas: Determinación de la cantidad y características físicas, químicas y biológicas de las aguas. Caudal de saturación: Caudal que corresponde a las condiciones máximas de desarrollo. Coeficiente de escorrentía: Relación que existe entre la escorrentía y la cantidad de agua lluvia que cae en una determinada área. Coeficiente de retorno: Relación que existe entre el caudal medio de aguas residuales y el caudal medio de agua que consume la población. Coeficiente de rugosidad: Parámetro que representa el efecto friccional del contorno del conducto sobre el flujo y en general depende del tipo de material del conducto. Colector principal ó matriz: Conducto cerrado circular, semicircular, rectangular, entre otros, sin conexiones domiciliarias directas que recibe los caudales de los tramos secundarios, siguiendo líneas directas de evacuación de un determinado sector. Compresibilidad: Corresponde a la relación entre los cambios de volumen y cambios de presión a los que está sometido un fluido. La variación de volumen se relaciona directamente con la variación de masa específica si la masa total es constante. Conexión domiciliaria: Tubería que transporta las aguas residuales y/o las aguas lluvias desde la caja domiciliar hasta un colector secundario. Generalmente son de 150 mm de diámetro para vivienda unifamiliar. Conexiones erradas: Contribución adicional de caudal debido al aporte de aguas pluviales en la red de aguas sanitarias y viceversa. Consumo: Volumen de agua potable recibido por el en un periodo determinado. Cuneta: Canal de sección triangular ubicado entre el sardinel y la calzada de una calle, destinado a conducir las aguas lluvias hacia los sumideros. Cuerpo receptor: Cualquier masa de agua natural o de suelo que recibe la descarga del

afluente final. Densidad: Corresponde a la relación existente entre la masa específica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se utiliza la masa específica del agua como referencia y para los gases se utiliza el aire. Densidad de población: Número de personas que habitan dentro de un área bruta o neta determinada. Dotación: Cantidad de agua promedio diaria por habitante que suministra el sistema de acueducto, expresada en litros por habitante por día. Emisario final: Colectores cerrados que llevan parte o la totalidad de las aguas lluvias, sanitarias o combinadas de una localidad hasta el sitio de vertimiento o a las plantas de tratamiento de aguas residuales. En caso de aguas lluvias pueden ser colectores a cielo abierto. Escorrentía: Volumen que llega a la corriente poco después de comenzada la lluvia. Estructura de conexión o estructura-pozo: Estructura construida para la unión de uno o más colectores, con el fin de permitir cambios de alineamiento horizontal y vertical en el sistema de alcantarillado, entre otros propósitos. Estación de bombeo de aguas residuales: Componente de un sistema de alcantarillado sanitario o combinado utilizado para evacuar por bombeo las aguas residuales de las zonas bajas de una población. Lo anterior puede también lograrse con estaciones elevadoras de aguas residuales. Una definición similar es aplicable a estaciones de bombeo de aguas lluvias. Frecuencia: En hidrología, número de veces que en promedio se presenta un evento con una determinada magnitud, durante un periodo definido. Intensidad de precipitación: Cantidad de agua lluvia caída sobre una superficie durante un tiempo determinado. Instalación interna: Conjunto de tuberías y rios que recogen y conducen las aguas residuales y/o lluvias de las edificaciones hasta la caja de inspección domiciliar. Interceptor: Conducto cerrado que recibe las afluencias de los colectores principales, y generalmente se construye paralelamente a quebradas o ríos, con el fin de evitar el vertimiento de las aguas residuales a los mismos. Masa especifica: Corresponde a la cantidad de masa o materia de una sustancia por unidad de volumen de la misma. Peso específico: Corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen gracias a la fuerza de la gravedad.

Plan maestro de alcantarillado: Plan de ordenamiento del sistema de alcantarillado de una localidad para un horizonte de planeamiento dado. Población servida: Número de habitantes que son servidos por un sistema de recolección y evacuación de aguas residuales. Precipitación: Cantidad de agua lluvia caída en una superficie durante un tiempo determinado. Profundidad del colector: Diferencia de nivel entre la superficie del terreno o la rasante de la calle y la cota clave del colector. Red local de alcantarillado: Conjunto de tuberías y canales que conforman el sistema de evacuación de las aguas residuales, pluviales o combinadas de una comunidad, y al cual desembocan las acometidas del alcantarillado de los inmuebles. Red pública de alcantarillado: Conjunto de colectores domiciliarios y matrices que conforman el sistema de alcantarillado. Red secundaria de alcantarillado: Conjunto de colectores que reciben contribuciones de aguas domiciliarias en cualquier punto a lo largo de su longitud. Sifón invertido: Estructura compuesta por una o más tuberías que funcionan a presión. Se utilizan cuando es necesario pasar las tuberías por debajo de obstáculos inevitables. Sumidero: Estructura diseñada y construida para cumplir con el propósito de captar las aguas de escorrentía que corren por las cunetas de las calzadas de las vías para entregarlas a las estructuras de conexión o pozos de inspección de los alcantarillados combinados o de lluvias. Sustancia de interés ambiental: Son los compuestos, elementos, sustancias y parámetros indicadores de contaminación fisicoquímica y biológica, que permiten evaluar la calidad del vertimiento y su efecto sobre el recurso hídrico. Sustancia de interés sanitario: Sustancias químicas, elementos o compuestos que pueden causar daños o son tóxicos para la salud humana o cualquier forma de vida acuática. Tramo: Colector comprendido entre dos estructuras de conexión. Tubo ó tubería: Conducto prefabricado, o construido en sitio, de concreto, concreto reforzado, plástico, poliuretano de alta densidad, asbesto-cemento, hierro fundido, gres vitrificado, PVC, plástico con refuerzo de fibra de vidrio, u otro material cuya tecnología y proceso de fabricación cumplan con las normas técnicas correspondientes. Por lo general su sección es circular.

Vertimiento: Cualquier descarga líquida hecha a un cuerpo de agua o a un alcantarillado. Vertimiento no puntual: Aquel en el cual no se puede precisar el punto exacto de la descarga al recurso, tal es el caso de los vertimientos provenientes de la escorrentía, aplicación de agroquímicos u otros similares. Viscosidad: Corresponde a una medida de la fluidez a determinadas temperaturas. Es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo al aplicársele una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. Volumen útil: Volumen del pozo de succión, comprendido entre el nivel máximo y el nivel mínimo de operación de bombeo.

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